Condiciones de presión, tensión y energía negativas

Question

Tenemos muchas experiencias cotidianas con la presión positiva, el ejemplo canónico es un gas.

Pero es fácil imaginar otros ejemplos de presión positiva: por ejemplo, un sólido que se comprime hasta quedar más compactado que su densidad de equilibrio.

Para mí es evidente que si un sólido se separa ligeramente para que siga conectado pero con una densidad menor que la de equilibrio, puede tener una tensión que es una presión negativa.

Pero a veces la gente se opone a la presión negativa, así que creo que podríamos beneficiarnos de una respuesta completa, que incluya buenas definiciones, justificaciones sobre por qué las definiciones son buenas, e incluso incluya comparaciones con las condiciones de energía (condición de energía débil, condición de energía fuerte, condición de energía dominante, etcétera).

No es necesario que la respuesta aborde las constantes cosmológicas o la energía oscura de forma específica, pero me gustaría que la respuesta fuera lo suficientemente completa como para que las personas que tengan preguntas sobre esos temas puedan satisfacer todas sus dudas sobre la propia presión negativa.

¿Qué es la presión negativa en general? ¿Cómo sabemos que es la definición adecuada y totalmente general? ¿Es razonable a la luz de la física conocida y aceptable? ¿Cómo/por qué lo sabemos? ¿Cómo se relaciona, si es que se relaciona, con la tensión? Si es diferente de la tensión, ¿qué es la tensión en general? ¿Cómo sabemos que es la definición adecuada y totalmente general? ¿Es razonable a la luz de la física conocida y aceptable? ¿Cómo se relaciona la presión negativa con las condiciones energéticas clásicas? ¿Son justificables o aceptables las desviaciones o choques con las condiciones energéticas clásicas?

Answer 1

Probablemente se podría obtener una presión negativa en la física de los polímeros, por lo que se podría considerar que un gran bloque de caucho se comporta de esta manera.

Básicamente: las presiones negativas se producen cuando un aumento del volumen provoca un disminución de la entropía . Los polímeros podrían ser un buen ejemplo porque tienes estas moléculas que "quieren" estar enredadas y retorcidas ("quieren" en el sentido de "es entrópicamente favorable para..."). Cuando se aumenta el volumen de un sistema de este tipo estirándolo, generalmente disminuye la entropía, por lo que se está oponiendo una fuerza entrópica que quiere que el sistema vuelva a su tamaño "de reposo".

Answer 2

La presión es la fuerza (dirigida hacia afuera) normal a cualquier área. Esta definición se ajusta de forma más natural a la presión hidrostática, por ejemplo, en gases y líquidos. En los medios ideales, este tipo de presión nunca es negativa.

En los medios de comunicación reales, eso no es necesariamente cierto. El ejemplo más obvio ocurre en el límite de casi cualquier líquido: allí una presión negativa actúa sobre las moléculas en la superficie. Sin embargo, nadie utiliza para ello la expresión "presión negativa". La forma común de llamarla es tensión superficial. Todos los demás casos de presiones negativas, creadas por fuerzas atractivas en lugar de repulsivas en un medio, se tratan de la misma manera: Son tensiones.

El ejemplo que has puesto, la "presión" negativa en un sólido, es un ejemplo de ello: Los ingenieros cuantifican el máximo de ella que puede soportar un material como resistencia a la tracción final. Sin embargo, la presión no describe muy bien la situación de los sólidos, porque las fuerzas que actúan sobre una superficie no tienen por qué ser normales a esa superficie. Un concepto mejor que el de presión (escalar) es el de tensor de esfuerzo que puede captar la dirección de esta fuerza y su variación en función de la orientación de la superficie sobre la que actúa.

Answer 3

La ecuación de estado de Mie-Gruneisen para los sólidos http://en.wikipedia.org/wiki/Mie%E2%80%93Gruneisen_equation_of_state es un modelo que combina los componentes de la presión térmica y los componentes "fríos" de la presión, donde este último se deriva termodinámicamente de un potencial intermolecular modelo. Tiene la forma $p = p_T(\rho_0,T) + p_c(\rho_0,\chi)$ , donde $T$ es la temperatura, $\chi=1-\rho_0/\rho$ , $\rho_0$ es la densidad inicial, y $\chi$ puede ser negativo, lo que corresponde a la rarefacción.

Answer 4

El tensor tensión-energía que utiliza la relatividad general incluye una matriz de tres por tres que significa presión y tensión. No está claro si se cuentan las cosas que están bajo tensión en una dirección y presión en otra como presión positiva o negativa, pero si la matriz es negativa definida, lo que significa que el objeto está siendo separado en algún grado en cada dirección, entonces está bajo presión negativa. Si es un número negativo que multiplica la matriz de identidad, entonces está bajo esa presión negativa.

Answer 5

La presión absoluta de un líquido también puede ser negativa, y a menudo lo es en los problemas de turbomaquinaria. Consideremos un volumen de agua a presión atmosférica que se extrae y se hace pasar por un venturi. La presión de estancamiento es entonces $p_{atm}$ y la presión en el venturi será:

$$p_{atm} - .5 \rho U^2$$

Si esto es agua, entonces $\rho = 1000$ y esta ecuación será negativa si $U>14$ m/s. Si el agua está limpia (libre de microburbujas, contaminantes y microorganismos), entonces el agua pasará por el venturi con esa presión negativa. Sin embargo, si hay debilidades (núcleos) en el agua, entonces el agua cavitará y formará vapor.

El agua limpia puede permanecer en estado líquido incluso a presiones ridículas inferiores a -30 MPa. Véase aquí por ejemplo. O para un experimento con un venturi como el descrito anteriormente, ver aquí .