Cuando cae la nieve, sube la temperatura. ¿Se debe esto a la entropía?

Question

Un amigo me dijo que la temperatura sube cuando cae la nieve. Y esto se debe a que la condensación del agua en los copos de nieve reduce la entropía y la temperatura del aire aumenta para compensar esto.

¿Es correcta esta explicación?

Answer 1

Sí. Una forma más sencilla de verlo es que porque la congelación, al igual que la resublimación (convertir un gas directamente en un sólido) emite calor. Puede parecer extraño, pero considere lo siguiente: es necesario poner calor para que el agua pase de sólido a líquido, así que el proceso inverso debería transferir el calor en la dirección opuesta. Y eso es lo que hace. En el aire frío, las gotas de agua y el vapor de agua pueden convertirse en cristales de hielo, pero al hacerlo necesitan expulsar algo de calor al aire. Así que el aire frío y el vapor de agua frío se convierten en aire ligeramente más caliente y en hielo.

También se puede decir en términos de entropía, ya que la entropía y la transferencia de calor están correlacionadas. Convertir las gotas y el vapor de agua en hielo disminuye su entropía, y eso requiere una transferencia de calor hacia el aire circundante.

Answer 2

El tiempo es... complejo.

La transformación del vapor de agua en sólido libera calor, pero esto ocurre en el cielo. El resultado es un aire algo más caliente y seco en alguna parte de la altitud y una cierta cantidad de nieve que cae hacia abajo. (Si "abajo" está lo suficientemente caliente, se obtiene lluvia en su lugar. La lluvia casi siempre empieza como nieve).

El punto es que puede, o más a menudo puede no obtener el calor liberado de la cristalización del vapor de agua, en la superficie.

Por otra parte, algunos mecanismos diferentes pueden hacer que el tiempo sea algo más caluroso (o, al menos, que se sienta más caluroso).

1. El viento se detiene. El patrón meteorológico habitual, al menos en las regiones de clima templado, es tener vientos fríos que traen la nieve (se llama frente frío) y luego nieve sin vientos. Los vientos enfrían tanto los edificios como los cuerpos humanos mucho mejor que el aire quieto.

2. Las nubes reflejan gran parte del infrarrojo irradiado desde la superficie hacia abajo (son blancas no sólo en la luz visible). Esto ayuda a la superficie a retener algo de calor, en contraste con el cielo despejado que deja escapar el mismo infrarrojo. Las nubes también reflejan la luz solar hacia el espacio, pero prevalece el primer efecto, ya que en invierno no recibimos mucha luz solar.

3. La nieve en los tejados actúa como un aislamiento térmico adicional. (Y en algunos edificios, por ejemplo, en el que vivo actualmente, impide la circulación del aire entre las tejas). Esto mejora el confort térmico en el interior. En algunos lugares, la nieve puede aislar bastante no sólo el tejado, sino también las paredes.

4. La gente se da cuenta de la vista en sus ventanas y se pone la ropa adecuada antes de salir.

Teniendo en cuenta que casi todo en nuestras vidas está más o menos impulsado por la entropía, entonces sí, se debe a la entropía. En cierto modo.

Answer 3

Como antiguo meteorólogo, no estoy muy de acuerdo. La nieve se produce en las nubes a partir del vapor de agua. A grandes rasgos (la microfísica real de las nubes es más compleja), el aire fluye dentro de las nubes. Más exactamente, las nubes se producen cuando las partículas de aire húmedo suben: la presión disminuye, lo que hace que las temperaturas también disminuyan. Cuando una partícula de aire alcanza su punto de rocío (o punto de congelación), la temperatura deja de disminuir y el vapor de agua se transforma en agua líquida o en hielo (nieve). En teoría, la temperatura debería permanecer constante hasta que todo el vapor de agua se transforme en agua líquida o hielo, pero la temperatura no aumenta. Por el contrario, la temperatura puede descender cuando empieza a nevar en las llanuras mientras el aire está entre 2 °C y 5 °C a nivel del suelo. Como en una nevada fuerte la nieve desciende rápidamente y todavía está mucho más fría que el aire cuando llega al suelo, se obtiene una masa importante de nieve fría y sólo una pequeña cantidad de aire caliente => el aire llega pronto a la temperatura de la nieve y se obtiene un aire a -2 °C que hace que la nieve permanezca en el suelo en lugar de transformarse en agua. Esto es bastante común en latitudes medias, por ejemplo en Francia (una o dos veces al año).

Lo que sí es cierto es que (aún en latitudes medias) en invierno el tiempo es más frío cuando no hay nubes: las nubes bloquean las radiaciones infrarrojas de la tierra y los momentos más fríos son al final de la noche sin nubes encima. Por eso, cuando una depresión llega después de un periodo frío, suele venir con aire más cálido y con nieve. Por eso, cuando miras tu termómetro, puedes ver que la temperatura es más alta el primer día de nevada. Pero es porque ha llegado aire más cálido, no por la conservación de la entropía.

Answer 4

El aire más caliente que la media asciende, se enfría debido a la caída de la presión a mayor altura, lo que provoca una expansión adiabática, y eso hace que la humedad que contiene se precipite y caiga en forma de lluvia o nieve. Como el aire se eleva, el calor liberado aquí arriba tiene dificultades para volver a la superficie. La llegada de una masa de aire cálido y húmedo que sustituye repentinamente a otra fría y seca hace que a veces empiece a caer nieve, en lugar de que sea la nieve la que provoque el calor.

El calor latente de la condensación libera efectivamente calor en la atmósfera superior, la consecuencia es que el aire se enfría con la altitud menos rápidamente que si estuviera seco. El tasa de lapso adiabático húmedo - la velocidad a la que el aire húmedo se enfría con el aumento de la altitud - es de unos 6 C/km de media en comparación con unos 10 C/km para el aire perfectamente seco. Si el aire es lo suficientemente húmedo, el calor vertido por la condensación del vapor de agua puede impulsar una mayor convección, aspirando aún más aire húmedo en la parte inferior que también vierte su calor, amplificando el efecto. Esta retroalimentación autoamplificada impulsa las tormentas eléctricas y los huracanes.

Answer 5

Calculemos. Supongamos que una nube se acerca a la altura de 1km, su agua se congela y empieza a nevar. El agua libera 333kJ/kg cuando se congela, y una capa de 1m × 1m × 1cm de nieve nueva pesa convenientemente alrededor de un kilogramo. Consideremos un metro cuadrado de superficie. Cada centímetro de nieve caída significa que se han liberado 333kJ de calor sobre ella. ¿Cuánto podría haber calentado la columna de aire de 1 km de altura? En STP, el aire pesa 1,2kg/m³ y se necesita 1kJ/kg-°C para calentarlo. Todo ello supone un aumento de la temperatura media de unos $\frac{\Delta t}{h_\text{snow}} = \frac{\lambda\rho_\text{snow}}{C_P\rho_\text{air} H_\text{cloud}} \approx 0.3$ °C por centímetro de nieve. El aumento real a nivel del suelo es probablemente menor, ya que el aire más caliente intentará escapar hacia arriba, o no descender de la nube en primer lugar.

¿De dónde viene la nube? El viento la trajo de algún lugar húmedo, un mar lejano o algo así. ¿La temperatura allí es la misma que donde finalmente cae la nieve? Lo más probable es que no, y esta diferencia de temperatura empequeñece los 0,3°C por cm de la caída de nieve.

Probablemente, su principal fuente de nieve es la humedad de un mar cálido y esa es la principal razón por la que sus días de nieve son más cálidos que los días sin nieve.