Elevación de la paja sumergida por encima de los 10 metros

Question

Supongamos que una tubería larga y rígida (por ejemplo, 30 m) abierta por ambos extremos se sumerge completamente en una masa de agua profunda. La tubería se llena completamente de agua. A continuación, se cierra un extremo y la tubería se eleva lentamente de forma vertical fuera del agua, con el extremo cerrado en la parte superior.

En algún momento, el extremo abierto permanece sumergido por debajo, pero la tubería empezará a asomar más allá de los 10 metros de altura sobre el agua, que es la altura máxima teórica de dicha columna de agua a presión atmosférica.

Entonces, ¿qué ocurre mientras la tubería se va levantando? ¿Comienza a filtrarse agua por el fondo del tubo y, por lo tanto, se forma y prolonga un vacío perfecto en el extremo cerrado? No parece haber nada en la parte superior que sustituya a la columna de agua que se escapa del tubo, por lo que ¿pasaría realmente?

Nota: Estoy ignorando la vaporización y las limitaciones de los materiales a los efectos de esta pregunta ; )

Answer 1

Se "hará un vacío" que se llenará de vapor de agua (a la presión de vapor saturado que sea a la temperatura del agua).

Si eligieras ignorar la evaporación, considerarías que el vacío sobre el agua es un vacío perfecto. Pero te equivocarías al hacer esa suposición. Incluso a 0 C, el agua líquida tiene una presión de vapor saturada de 611 Pa. La columna de agua que puede soportar será un poco menos de "10 m" (si esa es su columna correspondiente a la presión atmosférica imperante, la aceleración gravitatoria local y la densidad del agua). De hecho, 611 Pa hará que la columna sea unos 6 mm más corta de lo que esperas. A 20 C el error sería de unos 23 mm.

Nota: si sacas el tubo de golpe, el vapor puede tardar un poco en alcanzar el equilibrio. La columna se "hundirá" con el tiempo.

Como la presión de vapor del mercurio es menor y su densidad mayor, es un material mucho mejor para un barómetro.

Answer 2

Has descrito un barómetro con agua en lugar de mercurio como fluido de trabajo.

Una de las razones por las que se utiliza el mercurio en lugar del agua es que es más denso y, por tanto, el tubo del barómetro es mucho más corto (menos de un metro frente a 10 metros) y la presión de vapor saturada del mercurio (0,002 mmHg) a temperatura ambiente es mucho menor que la del agua (24 mmHg).

Por lo tanto, el espacio por encima del agua en su tubo estará ocupado por vapor saturado y al levantar el tubo el líquido de agua cambiará a vapor de agua para mantener la presión de vapor en un valor constante.

Así que no puedes ignorar la vaporización del agua en el contexto de tu pregunta.