¿Cómo actúa el aire caliente en gravedad cero?

Question

En un entorno con gravedad, el aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que asciende.

¿Cómo interactúa el aire caliente con el aire frío en un entorno de gravedad cero, en términos de movimiento? ¿Se queda donde está? ¿Una especie de configuración esférica, tal vez con el aire más caliente en el exterior?

Por poner un ejemplo, imaginemos que hay una vela encendida en gravedad cero. La llama será esférica. ¿Cómo actuará el aire caliente alrededor de la llama?

Encontré esto Debate en Reddit sobre el tema pero siendo Reddit no hay realmente una respuesta definitiva como la que espero ver aquí.

Answer 1

En presencia de un campo gravitatorio, el aire caliente se eleva porque siente una fuerza de flotación. Existe una diferencia de presión entre la parte inferior y la superior de la porción de aire caliente que da lugar a una fuerza ascendente.

Si no hay gravedad, no hay diferencia de presión (en principio), por lo que el aire caliente no sube. Simplemente se expande uniformemente. Sin embargo, si nos encontramos en un marco de aceleración, se produce un gradiente de presión y el aire caliente seguirá esta dirección aunque no haya gravedad.

Answer 2

Además de la difusión, verá conducción térmica. Los gases calientes simplemente tienen más energía cinética, por lo que se mueven más rápido. Las moléculas calientes/rápidas se desplazarán en varias direcciones alejándose de la fuente de calor y chocarán con las moléculas más lentas/frías. Al colisionar, se producirá una transferencia de momento. Finalmente, todo se mezclará hasta alcanzar un equilibrio térmico. Las siguientes animaciones ilustran tanto la difusión como la conducción térmica:

• Vídeo que muestra la mezcla de gas caliente y frío (ver los primeros 15 segundos):

  https://www.youtube.com/watch?v=tEFHkcx2cz0

• El vídeo (45 segundos) muestra la transferencia de energía de las colisiones.

  https://www.youtube.com/watch?v=CXZWRkJeKq0

  Nota: Las moléculas de este vídeo están representadas desde las más lentas/frías, en azul/amarillo, hasta las más rápidas/calientes, en naranja/rojo. Al principio, todas las moléculas son azules/amarillas. El lado derecho del recipiente es una placa caliente. A medida que las moléculas tocan la placa caliente, ganan energía cinética. Al final, todas las moléculas se convierten en más rápidas/rápidas/calientes, como se indica en naranja/rojo.

Answer 3

Como usted señala muy bien, en la falta de gravedad no hay separación hidrostática. Es decir, no importa que el aire más caliente tenga una densidad menor, no hay gravedad que los separe.

Pero, hay muchos otros efectos que seguirían funcionando, porque no son causados por la gravedad. El más importante es el difusión :

Además, en el caso de una vela de iluminación, no sólo variará la temperatura, sino también la composición del material alrededor de la luz y más allá. La vela encendida convierte el oxigeno del aire en dióxido de carbono y vapor. La difusión los mezclará.

El resultado es que la vela sigue teniendo suficiente oxígeno para encenderse, pero mucho menos:

Answer 4

Lo que puedo concluir es que en ausencia de gravedad no hay fuerza de flotación por lo que físicamente no es posible ningún movimiento pero sin embargo el aire caliente empezará a intercambiar calor con el aire más frío por medio de conducción y radiación si están en contacto y sólo por pura radiación si no están en contacto. (no hay convección debido a la ausencia de gravedad) el tiempo requerido para estar en equilibrio puede ser calculado si la masa de los gases, el volumen y la temperatura son conocidos.

Answer 5

No estoy del todo de acuerdo. Donde hay aire y diferencias de temperatura hay movimiento. No estoy seguro de lo que hace una corriente de aire en ausencia de gravedad, que forma toma o como esa forma cambia con el movimiento y la direccion, pero creo que la esfera igual de calor o presion solo podria ocurrir en una situacion controlada sin movimiento y sin vida. Creo que las corrientes y el movimiento de calor y frio causarian que lugares en la esfera se derramaran hacia afuera o fueran empujados en corrientes o colapsaran o enfriaran y causaran una acumulacion o retroceso que se encharcaria hasta que alcanzara su temperatura o cambio de corriente por lo que se moveria mas como una lampara de lava lo que sea que haga sin gravedad pero una pequeña corriente podria causar todo tipo de reacciones. Donde el calor y el frío se encuentran hay remolinos, no sólo expansión. ¿Cuál es el equivalente esperpéntico de un remolino de aire caliente ascendente? ¿Una seta rodante o un toroide como una goma elástica o una junta tórica a lo largo de un cilindro?