¿Cómo es que el aire frío es menos denso en un caso y más denso en otro en comparación con el aire caliente?

Question

Se dan dos explicaciones diferentes y contradictorias. ¿Cuál es la correcta?

Explicación 1: El aire frío es más denso que el aire caliente porque Cuando el aire frío de cierta densidad, digamos "d", se calienta, las moléculas/átomos se separan unos de otros y el volumen se expande. Como la masa del aire no ha cambiado y el volumen ha aumentado, el aire caliente es menos denso que el aire frío.

Explicación 2: El aire caliente es más denso que el aire frío porque El aire se compone principalmente de oxígeno (~20%) y nitrógeno (~78%). Así que este aire, cuando empieza a contener agua (es decir, cuando empieza a enfriarse), algunas moléculas de O2 (masa atómica 16 unidades) y N2 (masa atómica 14 unidades) son sustituidas por H20 (masa atómica 10 unidades). Por lo tanto, según la ley de Avogadro, para un determinado volumen de aire a la misma temperatura y presión y con el mismo número de moléculas, el aire frío tiene menos peso (el H20 tiene menos masa atómica) que el aire caliente.

¿Cuál de las dos anteriores es correcta? ¿Qué causa la brisa marina?

Es que la segunda explicación es un caso especial de agua que actúa como agente refrigerante, de lo contrario el primer caso es cierto.

Answer 1

Las ecuaciones de la densidad del aire están disponibles en el sitio de la caja de herramientas de ingeniería . La densidad del aire seco viene dada aproximadamente por:

$$ \rho_{dry} = \frac{0.0035\,P_0}{T} $$

donde $P_0$ es la presión y $T$ es la temperatura. La densidad del aire húmedo viene dada aproximadamente por:

$$ \rho_{wet} = \rho_{dry}\,\frac{1 + x}{1 + 1.609 x} $$

donde $x$ es la fracción de masa del agua. Sólo por diversión he calculado esto en Excel asumiendo que $P_0 = 101325$ Pa y got:

La primera tabla muestra la densidad en kg/m $^3$ mientras que la segunda tabla son los mismos datos pero como fracción de la densidad del aire seco a $0$ ºC.

La razón de los espacios en blanco en la tabla es que para cualquier temperatura hay una cantidad máxima de agua que el aire puede contener. Una vez más, este dato está disponible en el sitio de la caja de herramientas de ingeniería . He elegido los valores de $x$ para ser los valores máximos a las temperaturas 273K, 278K, y así sucesivamente, por lo que la parte inferior izquierda de la tabla está vacía.

Los resultados me han parecido bastante sorprendentes. El efecto de la humedad y la temperatura son casi iguales en su efecto - no había esperado que la humedad tuviera un efecto tan grande.

Como la tierra es más caliente que el mar, la densidad del aire en la tierra es menor, por lo que se eleva y atrae el aire del mar, de ahí la brisa marina. El contenido de humedad del aire se mantiene constante a medida que el aire fluye, así que lo único que cambia es la temperatura, no el contenido de humedad.