Estaba leyendo este y dice que Microsoft puso una granja de servidores en el fondo del océano porque es refrigerador allí. En particular, parece implicar que se enfría a medida que se profundiza, "Ya que el agua del océano se enfría bastante hacia el fondo del mar..." Pero sé que la presión provoca calor, por ejemplo es la responsable de encender la fusión en el centro del sol... ¿qué pasa?
Respuestas
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Hay dos errores principales en tu pregunta que causan tu confusión.
En primer lugar, la presión no causa temperatura más alta. Esta idea errónea es probablemente el resultado de una enorme simplificación en relación con la ecuación de los gases ideales. La relación real es "el aumento de la presión de un gas ideal mientras el volumen permanece constante aumenta la temperatura del gas".
Dos cosas notables aquí:
- El agua y otros líquidos apenas se pueden comprimir, por lo que no se comportan como un gas ideal (que es perfectamente comprimible). El líquido ideal no se comprime en absoluto.
- La temperatura sólo aumenta a medida que se pone más material en el mismo volumen. Es decir, no es presión que aumenta la temperatura, es compresión . Si comprimes un volumen de aire, la temperatura aumentará, y si lo sueltas de nuevo, la temperatura volverá a bajar.
En segundo lugar, cualquier sistema cerrado evoluciona hacia el equillibrio térmico. En términos sencillos, si se deja un café caliente en la mesa, acabará enfriándose hasta alcanzar la temperatura ambiente. Aunque la compresión aumenta la temperatura, esto no significa que la presión constante siga produciendo más y más calor. Cuando se comprime mucho aire en un balón de fútbol, se sentirá caliente al tacto. Pero al intercambiar calor con el entorno, se enfriará. Esto es muy útil, por supuesto, porque te permite gastar energía para enfriar las cosas, como en tu aire acondicionado :)
El efecto que esto tiene sobre la presión depende, a su vez, de las propiedades del material con el que se trabaja. Si tienes un volumen de aire en una botella, al enfriarla, la presión del gas disminuye. Si lo calientas, la presión aumenta. Esta es la razón por la que tienes que ajustar la presión de los neumáticos de tu coche aunque no tengan fugas: tienes que ajustarla a la temperatura actual.
Sin embargo, con un líquido, esto no es tan sencillo. Aunque existe una relación entre la temperatura y la densidad, no es ni mucho menos tan grande como en un gas ideal. Lo mismo ocurre con la presión y la densidad: si no fuera así, no podrías caminar (imagina que tus piernas se acortaran a la mitad cada vez que levantaras una pierna: eso no funcionaría).
Pongamos esto en práctica en nuestro ejemplo del océano. Si no se altera, el agua tenderá a estar "ordenada verticalmente" por su densidad. Normalmente, esto significa que el agua más caliente tenderá a subir, mientras que el agua más fría tenderá a bajar. Así que lo extraño es, en realidad, cómo relativamente cálido en las profundidades. El fondo del océano tiende a tener la misma temperatura, independientemente de lo cálidas o frías que sean las capas superiores.
Hay dos razones principales para ello, específicas del agua:
- La anomalía del agua: el pico de densidad se produce en torno a los 4 °C en el agua; tanto el aumento como la disminución de la temperatura a partir de este punto da lugar a una menor densidad. El efecto es muy importante, porque significa que, incluso durante el invierno, las capas inferiores de los lagos tendrán una temperatura en torno a los 4 °C aunque la superficie esté congelada. Además, el hielo es un buen aislante :) EDITAR: Como señala David, esto no ocurre en el agua del océano, debido a la alta salinidad que empuja el pico bajo cero (alrededor de -4 °C). Así, en un océano, las capas más profundas están formadas por agua entre 0 °C y 3 °C aproximadamente.
- Hielo: cuando el agua se congela, forma hielo, que tiene menor densidad que el agua. Esto es algo inusual (los sólidos suelen tener mayor densidad que los líquidos), y significa que cuando las masas de agua empiezan a congelarse, vuelve a subir.
Con el agua sobreenfriada, este efecto es aún más pronunciado: un agua a -30 °C tiene aproximadamente la misma densidad que el agua a 60 °C.
Los océanos se enfrían principalmente por evaporación: las capas superficiales de agua cambian "espontáneamente" de estado de líquido a gaseoso. El resultado es un equilibrio entre la energía que se pierde por la evaporación y la luz solar que entra. Sin embargo, entre la superficie y las profundidades hay una gran brecha, mucha masa de agua: la luz solar entrante no es suficiente para calentar las aguas oceánicas en su totalidad. Así, se obtienen aguas superficiales cálidas, luego un gradiente de agua cada vez más fría y, finalmente, unos 0-3 °C en las profundidades. Para ilustrar la magnitud de esta brecha, cerca del 90% del agua oceánica mundial se encuentra en el rango de 0-3 °C (de ahí lo de "no hay suficiente luz solar para calentar todo").
Por supuesto, una masa de agua a 4 °C es estupenda para los sistemas de refrigeración que funcionan a 40 °C y más. El aire es un buen aislante, por lo que la refrigeración por aire es complicada en sistemas grandes. El agua, en cambio, es bastante conductora térmica y se convoca fácilmente, por lo que la refrigeración de un centro de datos enorme se convierte en algo casi trivial.
EDITAR:
Permítanme abordar la parte del Sol, ya que también parece haber cierta confusión al respecto.
La fusión nuclear es algo que ocurre con muy poca frecuencia. Dos núcleos deben acercarse mucho para fusionarse, y necesitan suficiente energía cinética para superar la repulsión entre ellos (ya que ambos tienen la misma carga eléctrica).
El primer problema se resuelve aumentando la densidad. Cuantos más núcleos haya en el mismo volumen, mayor será la probabilidad de que haya un contacto estrecho. Aquí es donde entra en juego la presión: así se consigue una mayor densidad. Las estrellas están hechas de plasma, y el plasma es fácilmente comprimible, similar a un gas, por lo que al aumentar la presión, también lo hace la densidad. ¿Cómo se comprime? Pues bien, el núcleo del Sol, donde se producen las reacciones de fusión, contiene el 34% de la masa del Sol, en sólo el 0,8% de su volumen. En el centro, la densidad es unas 150 veces la del agua líquida. La presión es unas 100.000 veces la del núcleo de la Tierra, y unas 100.000.000 veces la del agua del fondo de la fosa de las Marianas.
El segundo problema se resuelve aumentando la energía cinética de los núcleos individuales. En otras palabras, aumentando la temperatura. Al igual que en el caso de la compresión del aire, la presión sólo sirve para aumentar la temperatura; la reacción de fusión en el Sol se inició utilizando el calor residual del colapso de la materia que formaba la estrella (la energía potencial gravitatoria); no estoy seguro de la importancia de la compresión en particular. Pero, de nuevo, esto sólo fue responsable de la ignición inicial - hoy en día, la reacción funciona completamente con el calor producido por la fusión y la presión suministrada por la gravedad (que en realidad se reduce por la presión hacia fuera de la energía liberada en el núcleo - las dos presiones forman un equilibrio estable).
Como nota al margen, a pesar de las altas temperaturas y presiones, la reacción de fusión que impulsa al Sol es increíblemente débil. Si pudiéramos reproducir mágicamente las mismas condiciones en la Tierra, no sería realmente utilizable para la generación de energía en absoluto: la energía producida es de unos 300 vatios por metro cúbico en el centro mismo . Para tener una comparación, esto es comparable a la densidad de potencia de un montón de compost, y menos que la densidad de potencia del metabolismo humano. Sí, tu propio cuerpo produce más energía que el mismo volumen del centro del Sol. He intentado sin éxito encontrar datos sobre la densidad de potencia de los reactores de fisión, pero un solo reactor CANDU produce unos 900 MW (eso es "millones de vatios"), y seguro que no es tres millones de veces más grande.
Ernie
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No es tanto la presión, sino la compresión lo que crea el calor. El calor es una medida del aumento de la energía cinética, ya que las moléculas son forzadas a entrar en un espacio más pequeño. El agua no es muy comprimible, y el agua en el fondo del océano no está confinada en un espacio significativamente más pequeño bajo presión. La energía cinética de las moléculas de agua en el fondo del océano no aumenta significativamente bajo presión, ya que hay poca compresión del líquido. Un mol de agua a 4.000 metros bajo el océano ocupa sólo un 1,8% menos de volumen que un mol de agua en la superficie. El módulo de masa del agua indica que el agua requiere una gran presión para un pequeño cambio de volumen.
JDługosz
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El agua más fría es más densa hasta que alcanza una temperatura un par de grados por encima del punto de congelación, entonces vuelve a ser más ligera. Así que el agua del fondo está a la temperatura específica en la que es más densa: cualquier calentamiento la hace subir. Cualquier otro enfriamiento la hace subir.
Ver ¿Por qué el océano se enfría en profundidad?
Esto señala además que, sin la circulación oceánica, el calor de la Tierra en el fondo del océano tardaría un año en calentar el agua del fondo en un grado C.
Ver también Circulación oceánica global y temperaturas de las profundidades marinas para más profundidad. Afirma que el agua más profunda asentada en el fondo de las cuencas es de unos 2º-3º C, y que el agua fría proviene de derretimiento de los glaciares en los polos .
Madhu Prudhvi Raj
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Ya se ha dicho que, para empezar, hay pocas posibilidades de calentar el agua por compresión. Otro aspecto es que el agua del fondo del océano ha estado allí durante un tiempo considerable. Por lo tanto, si se ha calentado en gran medida cuando se formaron los océanos, ha habido tiempo suficiente para que el calor de la compresión se haya dispersado, aunque sea varios grados centígrados.
Por cierto, la noción de que un gas se calienta por compresión y el calor se pierde fácilmente es crucial para la refrigeración, ya que si se presuriza un gas y luego se deja enfriar antes de despresurizarlo de nuevo, la temperatura final será inferior a la ambiente (ciclo de Carnot inverso).
Michael
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Hay otro factor que creo que las otras respuestas han pasado por alto, porque hay una analogía similar con el aire, y el aire es comprimible. Concretamente, ¿por qué el aire de los valles suele ser más frío que el de la cima de la colina cuando la presión calienta las cosas?
En realidad, hay dos dinámicas diferentes en juego. Una es la compresión adiabática, que como se ha mencionado no es significativa para el agua, porque el agua no es muy comprimible. La otra dinámica es la convección o, en el caso del agua, las corrientes, que redistribuyen la materia a granel. El agua fría (o el aire) es más pesada que el agua caliente (o el aire) y, por tanto, se hunde en el fondo. En la atmósfera, esto choca con la compresión adiabática, así como con los ciclos de viento generados por el sol. En el agua estos efectos son menores, por lo que el hundimiento del agua fría se convierte en un factor más dominante.
