¿Se eleva realmente el aire caliente?

Question

"El calor sube" o "el aire caliente sube" es una frase muy utilizada (y un fenómeno muy aceptado).

¿Se eleva realmente el aire caliente? ¿O simplemente es desplazado por aire más frío (más denso) que desciende por la gravedad?

Answer 1

Voy a repasar tu pregunta poco a poco. Explicaré parte del lenguaje de tu pregunta y luego analizaré la respuesta final. Mis explicaciones suponen un conocimiento previo de la realidad atómica de los gases, pero poco más.

En primer lugar, "el calor sube" es un término que debería evitarse en un debate sobre física. El término "calor" se refiere a la transferencia de energía térmica de un lugar a otro. No es una cantidad de estado. Por ejemplo, las cantidades de estado son cosas que son cualidades de la materia en sí. Por ejemplo, la masa es una cantidad de estado. También lo es la carga. Estas son las mismas independientemente de otro lugar y tiempo. Mientras que "calor" es una descripción de cambio, no una descripción de estado. Decimos que una sartén en la estufa se calentó. O mejor aún, un flujo de calor de la llama a la sartén causó que la sartén tuviera una temperatura más alta. Si dijéramos que la sartén en la estufa tiene calor, eso es incorrecto, la sartén en la estufa tiene energía térmica (una medida de la masa y la temperatura del objeto), y una temperatura.

Recordatorio: la temperatura es una medida de la energía cinética media de una sustancia.

Reformular: ¿Sube el aire caliente (a mayor temperatura)? ¿O es desplazado por el aire frío (de menor temperatura)?

Primero: ¿Por qué algo cae y sube en un campo gravitatorio? Pues tiene que haber una fuerza que lo empuje hacia arriba. Para que cambie su energía potencial (U=mg) debe actuar sobre él una fuerza.

¿Cuál es la fuerza que hace subir y bajar un fluido o un gas? En todos los casos puede describirse como una presión.

La presión es siempre relativa, porque no es la presión la que hace que las cosas suban o bajen, sino una diferencia de presión o gradiente. Por tanto, lo importante es la presión neta o diferencia de presión.

En primer lugar, se trata de un punto importante. Si la presión en un volumen es la misma, nada cambia. Ningún aire se mueve (aparte de las partículas individuales que se moverán debido al movimiento browniano).

Entonces, ¿cómo puedo crear una diferencia de presión que haga subir un poco de aire? ¿Que sea empujado hacia arriba?

1) La forma más sencilla es controlar la densidad del aire. Un grupo de moléculas más empaquetado tendrá más átomos en un espacio más pequeño por lo que si cada molécula se mueve a la misma velocidad se producirán más colisiones entre los bordes de su volumen (estos cambios de momento provocan una fuerza) y ejercerá más fuerza: mayor presión.

2) ¿Pero cómo se mide la velocidad de las partículas en volumen de algo? Porque si los átomos se mueven más rápido entonces habrá mayores cambios de momento y más fuerza. La temperatura es la medida de esto, la energía cinética media describe en esencia lo rápido que van las partículas.

¿Qué nos dicen 1) y 2)? Pues que la presión está controlada por la velocidad de las partículas y por cuántas de ellas hay en el espacio. En termodinámica se utiliza la ecuación PV=nRT. R es una constante. n es el número de mol (una medida del número de partículas). Esto dice que la presión y el volumen (V) están relacionados con la temperatura (velocidad) y la cantidad (n).

Esto significa que un volumen más caliente de la misma sustancia necesitará expandirse para mantener su presión hacia el exterior. Algo más frío se contraerá. Este es el proceso por el que los líquidos y gases más calientes y más fríos se vuelven menos densos o más densos.

FINAL (Preguntas y respuestas): A: ¿Sube el aire más caliente? B: ¿O el aire frío desplaza al aire caliente haciendo que suba?

Bueno, vamos a probar la primera, más caliente implica que es más caliente que algo. Así que si está más caliente que el aire que lo rodea, el aire se expandirá, la presión disminuirá (ya que PV es constante) y la alta presión, el aire de menor densidad lo empujará hacia arriba: desplazándolo. Aquí vemos el problema de la pregunta: tanto A como B son ciertas. Si B no lo fuera, y el aire frío no estuviera disponible, entonces no habría diferencia en densidades, ni diferencia en presiones, y nada cambiaría. No se puede tener A sin B, y B sin A, y esto se debe principalmente a que es necesario un gradiente de presión para que se produzcan cambios.

¿Podría tener dos gases donde el más caliente de los dos estuviera en la parte inferior? Sí. Un gas ligero como el helio, menos denso porque sus moléculas se odian (personificado; lo siento), flotará hasta salir de la atmósfera terrestre, dejando abajo el aire caliente del desierto.

Answer 2

Otra forma de verlo es observar cómo cambia la presión con la altura. Si colocamos una parcela de fluido en forma de caja de alta densidad inmediatamente al lado de una parcela de fluido de menor densidad, el gradiente de presión hidrostática es mayor en la primera parcela. Por lo tanto, si la presión media de los dos paquetes es la misma, el más denso tendrá una presión más alta en la parte inferior que el más ligero, y una presión más baja que el más ligero en la parte superior del paquete. Por tanto, el paquete más denso tenderá a empujar en la parte inferior y a ser desplazado en la parte superior. En una aproximación de primer orden, girarán intentando colocar el paquete más ligero en la parte superior. Si los paquetes de fluido tienen la misma composición, el más caliente será el más ligero. Por supuesto, en el agua existe un régimen de temperaturas en el que la curva de densidad en función de la temperatura va en retroceso entre 0C y 4C, aproximadamente, y el hielo es aún más ligero. Pero, en general, los fluidos más calientes son más ligeros.

En cualquier caso, la pregunta original es retórica. ¿Tomamos el atajo mental y pensamos en la generosidad como fuerza de elevación, o intentamos ser más precisos y consideramos la interacción de los fluidos como la causa? En la mayoría de los casos, prefiero la primera metodología, ya que facilita la formulación de la dinámica.

Answer 3

La fuerza de acción es simultánea a la fuerza de reacción. Una no puede producirse sin la otra. Arquímedes estableció que un fluido menos denso se desplazara sobre otro más denso ( véase Flotabilidad - Principio de Arquímedes ) .
(y viceversa: una más densa..se desplaza..hacia abajo..)

En Inestabilidad de Rayleigh-Taylor describe la evolución de la interfaz entre las dos capas. El casquete en forma de hongo de la bomba atómica se debe a este efecto. (cita de Wikipedia):

RT..es una inestabilidad de una interfase entre dos fluidos de distinta densidad, que se produce cuando el fluido más ligero empuja al más pesado. Es el caso de una nube interestelar y un sistema de choque. La situación equivalente se produce cuando la gravedad actúa sobre dos fluidos de distinta densidad -con el fluido denso por encima de un fluido de menor densidad-, como el agua en equilibrio sobre el petróleo ligero.

Answer 4

El "aire caliente" son moléculas de aire (M) que se mueven más deprisa (F); el "aire frío" son M que se mueven más despacio (S). Las colisiones entre los FM y los SM fuerzan a ambos M en todas direcciones (los SM más rápido que antes, los FM más lento que antes, pero aún más rápido que la mayoría de los SM). Sin embargo, el espacio que queda por debajo de ellos está abarrotado de SM, por lo que los FM golpeados hacia arriba siguen yendo rápido hasta que chocan con los SM (aunque menos) que hay por encima de ellos, continuando el proceso. Agita una bolsa de palomitas de maíz medio llena: los granos grandes se abren camino hacia arriba, dejando abajo los granos más pequeños y densos.

Answer 5

Aquí está el mecanismo, usted mismo puede averiguar lo que sucede -

Hay dos cosas en juego: la gravedad y la presión del gas. Al principio, debido a la gravedad, el aire más denso está abajo y el más ligero arriba. Te preguntarás por qué es así al principio y la respuesta está en la palabra "más denso". En cada nivel, hay una densidad de equilibrio al principio y es más alta en la parte inferior y más baja en la parte superior. Cuando un poco de aire cerca del fondo se calienta, no empuja hacia arriba, todo lo que hace, es expandirse en todas direcciones debido a su aumento de temperatura (y por lo tanto aumento de presión). Debido a la expansión, su densidad disminuye. Y debido a esta bajada de densidad, el equilibrio de densidad se altera. Entonces la gravedad devuelve el equilibrio de densidad tirando del aire denso hacia abajo más de lo que tira del aire caliente. Así, el aire caliente sólo se expande, la gravedad hace el resto.

Ahora te preguntarás por qué la gravedad atrae más el aire más denso que el más ligero. Porque el aire más denso tiene más masa por volumen y, por tanto, más fuerza gravitatoria por unidad de volumen. (GMm/(r*r)).

Por lo tanto, en realidad, aunque es el aire denso el que empuja hacia abajo (debido a la gravedad), el aire caliente, menos denso, no tiene a dónde ir excepto hacia arriba, y por lo tanto parece que está empujando hacia arriba, pero en realidad no lo hace (o podemos decir que empuja en todas direcciones, no sólo hacia arriba, debido a su mayor presión). El aire frío se mueve hacia abajo sólo desde los lados, no puede moverse hacia abajo desde directamente arriba debido a la mayor presión del aire caliente.

Pregunta similar formulada en este sitio: "¿Por qué sube el aire caliente en una columna en lugar del aire frío que presiona hacia abajo?".