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¿Dónde consiguen su energía de vuelo las moléculas del gas?

Si se calienta agua en un tanque al punto de ebullición, algunos de el agua se convertirá en vapor. Las burbujas de Gas se crean en el agua. Según el principio de Arquímedes, las burbujas de gas tendrá una fuerza igual al peso de lo que están ocupando. Vamos a denotar esta fuerza $F_g$.

$$F_g = \text{Bouyant force of a gas bubble}.$$

Vamos a denotar la altura del tanque de $h$. También asumimos que el vapor que genera la creación de burbujas en la parte inferior del tanque y también que la viscosidad del agua es de casi cero. Por lo que el trabajo realizado cuando una burbuja llega a la superficie es

$$\text{Energy} = (F_g-g m)h$$

$g$ es la aceleración de la gravedad y $m$ de la masa de la burbuja.

¿De dónde surgió esta energía? Del agua circundante? De la caldera? A partir de la propia burbuja?

Puede alguien en detalle que me explique este fenómeno?

3voto

gatsu Puntos 3557

Supongamos que una vez que la burbuja se crea, la física es, esencialmente, no es diferente de lo que es responsable por el trabajo de hacer un globo de Helio elevarse en el aire, es decir, tiene un nivel macroscópico/mesoscópica objeto que tiene una densidad menor que la del fluido que lo rodea.

Ahora, todos sabemos que en una situación estática de fluidos por efecto de la gravedad, la presión disminuye con la altura. La razón de esto es porque cualquier fluido sigue una ecuación de estado $p = f(n,T)$ donde, a temperatura fija decir $f$ es una función creciente de la densidad de partículas de $n$.

Por lo tanto decir que la presión disminuye a medida que van más en un líquido significa que la densidad va más bajos.

Si la temperatura es la misma (la flotabilidad se observa en las escalas de longitud mucho menor que la escala sobre la que los cambios de temperatura), entonces, significa que las grandes partículas no recibe la misma cantidad de colisiones que viene de la parte inferior que la que proviene de la parte superior. Como consecuencia, se experimentará una fuerza neta en la dirección hacia arriba.

Como Pratyay Dios ha dicho, la energía del sistema no necesitan cambiar aquí, la cosa que cambia, sin embargo, es la entropía total del sistema que está relacionado con el hecho de que cerca de la parte inferior de la pared hay más partículas que son "molestado" por la presencia de los más ligeros de la burbuja (porque es enorme) que si pones esta burbuja en una posición superior.

Una manera de darse cuenta de que es imaginar la cantidad de trabajo que hay que llevar a cabo para insertar una burbuja en algún lugar en algún altura en el líquido. Es un tipo de intuitivo ver que el menos denso que el líquido, más probable es encontrar un "vacío" en el que uno puede insertar la burbuja. Que es a lo que me refiero cuando digo que es debido a la entropía.

2voto

Dr_Bunsen Puntos 1660

Cuando una burbuja se levanta, agua se ha llenado el espacio detrás de él. El trabajo realizado por el levantamiento encima de la burbuja es exactamente igual que el agua para llenar el espacio detrás de él, pero con un signo - ve. Así que la energía total permanece constante.

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