¿Por qué el fuego hace muy poco ruido?

Question

El sonido es la vibración de las partículas de aire (que chocan entre sí para formar ondas longitudinales) y el calor es la vibración de las moléculas de aire. Dado que sólo podemos suponer que el calor producido por el fuego es una vibración de mayor intensidad que el sonido (porque no nos quemamos al hablar) ¿por qué no produce un sonido extremadamente fuerte?

Answer 1

Las reacciones de combustión no producen sonidos de forma inherente. Pero liberan mucha energía que hace que las moléculas cercanas adquieran mayor al azar energía cinética, que es teóricamente detectable como ruido browniano. Pero no es tan fácil como detectar el habla de un ser humano porque el ruido es indistinto y la potencia en el tímpano es menor: muchas de las velocidades de las partículas no se dirigen hacia el tímpano, por lo que se transfiere una cantidad limitada de energía. A diferencia de las ondas sonoras longitudinales, en las que grupos de partículas oscilan periódicamente con grandes amplitudes, en este caso el movimiento es bastante desorganizado y no es audible a temperaturas razonables, por lo que es más probable oír el sonido de la madera al estallar debido a la expansión de las fibras y la salida de la humedad y el aire, o los sonidos del viento al soplar cuando el aire se expande y se eleva rápidamente.

Decidí probar a encontrar la temperatura necesaria para que el ruido browniano fuera tan alto como una conversación. Para $60\ \rm dB (SPL)$ con la referencia habitual de $2\times 10^{-5}\ \rm Pa$ y considerando la región de mayor sensibilidad del oído, buscamos una presión eficaz eventual de $2\times 10^{-2}\ \rm Pa$ . Utilizando la ecuación de Sobre los campos sonoros mínimos audibles por Sivian y White $$\bar{P} =\left [ \frac{8 \pi \rho k_B T} {3c} ({f_2}^3-{f_1}^3)\right ]^{1/2}$$ donde $\bar{P}$ es el valor eficaz ( media cuadrática ) presión, $\rho$ es la densidad del aire, $k_B$ es la constante de Boltzmann, $T$ es la temperatura, $c$ es la velocidad del sonido en el aire, y $f_1$ y $f_2$ son la gama de frecuencias. Consideremos la gama de frecuencias de $0\ \rm Hz$ a $2\times 10^4\ \rm Hz$ porque, según la distribución browniana de frecuencias, las frecuencias más altas son despreciables. Aportando valores comunes para todas las constantes, vemos que para $\bar{P}=2\times 10^{-2}\ \rm Pa$ necesitamos un increíble $10^8\ \rm K$ a 1 cifra significativa, que es más caliente que el núcleo del Sol.

Es importante no pensar que esto implica que nunca vamos a oír ruido browniano. Si cogemos algún programa como Audacity (o probablemente cualquier herramienta de edición de sonido), podemos renderizar el ruido browniano y escucharlo en $60\ \rm dB$ . Pero ahí tenemos una superposición deliberada de formas de onda de varias frecuencias (con amplitudes según la distribución) que se reproducen. Pero no oiremos el ruido causado por la energía cinética aleatoria de las moléculas de aire a una sonoridad comparable a las conversaciones normales .

"Porque sólo podemos suponer que el calor producido por el fuego es una vibración de mayor intensidad que el sonido" no es realmente cierto: debido a la dirección de las oscilaciones/movimientos de las partículas, las ondas sonoras longitudinales acaban transfiriendo mucha más energía al tímpano.

Al final, no vamos a detectar el ruido; es más probable que sean audibles los flujos debidos a la convección y expansión del aire caliente.

Sivian, L. J., y S. D. White. "Sobre los campos sonoros mínimos audibles". Revista de la Sociedad Acústica de América vol. 4, no. 3, 1933, pp. 176-177., doi:10.1121/1.1901988.

Y algunas cosas interesantes relacionadas: Diferencia entre sonido y calor a nivel de partículas

Answer 2

El término "sonido" se utiliza para describir las variaciones macroscópicas de la presión de los fluidos en una escala temporal de 50 microsegundos a 50 milisegundos. Cuando algo parece arder casi en silencio, dicha combustión implicará muchos sucesos individuales que aumentan la presión gaseosa ambiental, pero casi todos los efectos son o bien tan rápidos que las variaciones de presión que provocan se anularán al promediar en un intervalo de 50s, o bien son tan lentos que el cambio de presión en cualquier intervalo de 50ms será insignificante.

Answer 3

La llama de un soplete de propano, un soplete oxiacetilénico o un soplete de aire comprimido produce mucho ruido. Esto ocurre porque el proceso de mezcla de combustible y aire es turbulento y el proceso de combustión se produce en una masa de aire que se mueve turbulentamente. La combustión no es uniforme en el tiempo y el espacio, lo que produce el "rugido" aleatorio de ruido blanco de un soplete.

El proceso de combustión en la llama de una vela, una lata de propano para barbacoa o un mechero no tiene combustión al mismo tiempo que la mezcla turbulenta de combustible y aire, por lo que produce muy poco ruido.

Answer 4

El sonido es un coherente oscilación de las moléculas del aire, en concreto, una compresión/rarefacción más o menos sincronizada (las moléculas se acercan más que se separan) que se propaga a través de él.

Esto hace que, termodinámicamente, se parezca más al "trabajo". Es decir, es una forma de energía de entropía relativamente baja: muy ordenada, o lo que es lo mismo, "parece señal", y podría describirse con un patrón de datos relativamente compresible (es decir, contiene regularidades estadísticas) en un ordenador con suficiente capacidad de almacenamiento, según la ley de equivalencia de la entropía termodinámica de la información.

$$H = \frac{S}{k_B \ln(2)}$$

Por otro lado, el calor del fuego es sólo eso: calor. Es máximo entropía, y moléculas moviéndose de forma totalmente aleatoria (lo que significa que no hay compresión posible). Parece ruido", lo que significa que su descripción dinámica serán datos aleatorios, más o menos, parece ruido en el sentido de "ruido" como "información sin sentido". Tenga en cuenta que se trata de no lo mismo que las "ondas sonoras ruidosas": siguen siendo ondas coherentes, sólo las amplitudes son aleatorias o, en efecto, sólo son aleatorias en una dimensión, por lo que siguen siendo poco entrópicas, aunque más que un tono puro.

Por lo tanto, habrá no sonido sólo por el calor de la llama. En particular, se puede dar un argumento termodinámico razonable que no puede oír directamente el calor simplemente observando que, para oírlo, tiene que hacer trabajo en tu tímpano para desplazarlo del equilibrio oscilatorio, y trabajo es precisamente lo que no puedes hacer con el calor de esta manera. Si fuera posible oír el calor directamente, es decir, que las colisiones aleatorias de las moléculas contra el tímpano crearan directamente un movimiento ordenado del mismo, o que las colisiones aleatorias se convirtieran espontáneamente en ondas ordenadas al entrar en contacto con el aire, se podría utilizar el oído como un dispositivo para extraer trabajo de él de forma gratuita, violando la segunda ley de la termodinámica.

Dicho esto, se puede objetar que esto sólo se aplicaría en una situación de equilibrio térmico, y un incendio está lejos del equilibrio - simplificando, 2000 K de temperatura de la llama frente a 300 K de temperatura ambiente, y por lo tanto debería ser capaz de extraer trabajo.

Y resulta que es exactamente así como un incendio es de hecho, audible. Gracias al gradiente, el gas caliente puede expandirse -un movimiento concertado hacia el exterior- e impulsar corrientes de convección en el aire, convirtiendo así el calor en trabajo (energía de baja entropía), y estas corrientes se convierten de hecho en viento, lo que produce un sonido audible de ráfaga/soplido del mismo modo que se oye el viento de una tormenta. Pero la audición directa del movimiento aleatorio de las moléculas sigue siendo imposible según el argumento anterior.

(El "crujido" y el "estallido" de la combustión de combustibles orgánicos sólidos y complejos como la madera se deben, como ya se ha mencionado, a la expansión/explosión repentina de pequeñas bolsas de vapor que se forman dentro del combustible a partir de volátiles, incluida el agua).

AÑADE : Ahora que lo pienso un poco más no creo que funcione necesariamente. Habrá una fluctuación aleatoria en la posición central del tímpano que resulta de promediar el movimiento de todas sus moléculas. Esto sería técnicamente sonido. Será muy pequeña, pero no necesariamente cero. (En términos de análisis de entropía, la entropía puede ser muy alta, pero no es $\infty$ .) Dicho esto, seguirás sin oír nada a menos que tu oído esté en contacto directo con la fuente, porque la distribución de partículas dentro de cualquier pequeña parcela de aire es más o menos térmica: es un gradiente de temperatura y, por tanto, el único ruido que oirás será el que se produzca a la temperatura ambiente alrededor de tu tímpano. Con los cálculos de @Chair, esto significa que vaporizará tu oído (y a ti) mucho antes de que llegues lo suficientemente alto como para oírlo.

Answer 5

El sonido es la vibración de las partículas de aire (que chocan entre sí para formar ondas longitudinales) y el calor es la vibración de las moléculas de aire.

Ninguna de estas afirmaciones es exacta. El oído humano contiene un montón de pelos que tienen frecuencias de resonancia diferentes. Si el aire vibra a la frecuencia de resonancia de uno de los pelos, éste enviará una señal al cerebro. Así que el oído humano actúa básicamente como una transformada de Fourier analógica.

Una analogía sería un columpio. Si empujas el columpio en el punto exacto de su ciclo, una y otra vez, el columpio se balanceará más alto. Si empujas repetidamente el columpio, pero en momentos aleatorios, es tan probable que anules un empujón anterior como que lo refuerces. Así que añadir más empujones, si son aleatorios, no ayuda mucho a aumentar la amplitud de la oscilación. Del mismo modo, si hay una onda sonora con una frecuencia tal que su pico sigue golpeando el pelo en el mismo momento de su ciclo, entonces ese pelo oscilará más hacia adelante y hacia atrás. Si sólo hay moléculas de aire golpeando el pelo en momentos aleatorios de su ciclo, entonces se anularán, y añadir más colisiones o aumentar la magnitud de las colisiones no cambiará eso.

Tenga en cuenta que lo que percibimos como "sonido" es la vibración del aire en su conjunto, no las vibraciones de moléculas individuales. Se necesita un gran número de moléculas moviéndose juntas para crear lo que percibimos como "sonido". Las moléculas que se mueven por separado no crean sonido.

Además, es bastante correcto decir que el calor son vibraciones de las moléculas. Aunque parte de la energía térmica son vibraciones internas, también es energía cinética de las moléculas en movimiento (sobre todo en los gases).