¿Por qué el aire caliente sube en una columna en lugar del aire frío que presiona hacia abajo?

Question

Bien, esto mira como una pregunta tonta o incluso casi trolling, pero realmente no lo entiendo.

Cuando el aire se calienta sobre una placa de horno, se eleva. Obviamente, puedo comprobarlo echando un poco de humo.

La explicación común es que el aire caliente tiene menos densidad que el aire frío y, en consecuencia, se eleva.

Es justo que el aire caliente termine por encima del aire frío, pero ¿por qué sube en columna?

Con el mismo argumento, podría deducir ( y sé que está mal ) que el aire frío de arriba es más denso, por lo que bajará, presionando el aire caliente hacia los lados.

¿Qué hecho adicional me falta (y la explicación común)?

(Estoy bastante seguro de que las etiquetas que he encontrado no son óptimas).

Edición: en mi mente me imagino una imagen de moléculas de aire caliente (rojas) más separadas que las moléculas frías (azules) que se deslizan entre las rojas. Soy consciente de que esto es una muy modelo burdo, y además termina en una predicción errónea.

Editar (sobre el duplicado): No estoy seguro de que la otra pregunta se refiera a la forma en que se eleva el aire caliente. Al menos, las respuestas de allí no abordan (o no claramente) este aspecto.

La respuesta aceptada aquí explica lo que ocurre indicando las fórmulas para la presión por encima de la placa térmica así como al lado de la misma.

Answer 1

Con el mismo argumento, podría deducir (y sé que es erróneo) que el aire frío de arriba es más denso, por lo que bajará, presionando el aire caliente hacia los lados.

Sustituye el aire caliente por un globo de helio. Puedes ver que no hay ninguna fuerza en el globo que lo empuje hacia los lados. La flotabilidad le obliga a acelerar hacia arriba (y algo de aire frío a su alrededor para acelerar hacia abajo). Si no te detienes en uno, sino que sigues creando globos (de forma parecida a que sigas calentando el aire de la sartén), entonces obtendrás una estela que formará una columna.

La asimetría de la situación es que estás creando una pequeña cantidad de aire caliente en una gran cantidad de aire frío.

Si se invierte la situación colocando un bloque de hielo cerca del techo, se obtendría una columna de aire más frío cayendo a través del aire relativamente más caliente.

en mi mente imagino una imagen de moléculas de aire caliente (rojas) más separadas que las moléculas frías (azules) que se deslizan entre las rojas.

Las moléculas de un gas tienen una distribución de velocidades. Así, el gas más frío tiene casi tantas moléculas rápidas como el más caliente.

Pero el problema aquí es que, a tal escala, el tamaño de su parcela calentada es enorme. Unas pocas moléculas lo harán en el borde (difusión), pero no rápidamente. El recorrido libre medio de una molécula de aire en su habitación es inferior a 100 nanómetros, mientras que el tamaño de su paquete calentado es probablemente de varios centímetros. La mayoría chocará y permanecerá cerca de sus vecinas. Es mucho más rápido que todo el paquete se eleve, por lo que ese proceso domina.

Answer 2

Bienvenido a la magia de las células de convección =)

Lo primero que hay que recordar es que se trabaja con un gran número de moléculas de gas. El efecto se produce teóricamente sin importar el número de partículas que tengas, pero los efectos son mucho más fáciles de describir utilizando términos de masa que manejan muchas moléculas a la vez, en lugar de tratar de rastrear cada molécula. Como mencionó BowlOfRed, la longitud del camino libre en el aire libre es de unos 100 nm, lo que significa que casi todos los efectos que se ven van a ser efectos estadísticos macroscópicos, como la densidad y la transferencia de masa.

Considere un volumen de aire caliente sobre la placa caliente. Voy a afirmar que su forma es aproximadamente cilíndrica. Esto es fácil de demostrar al principio, cuando todo el aire caliente se concentra en forma de disco justo encima de la placa caliente. Utilizaremos la inducción para demostrar que sigue siendo cilíndrica a medida que el sistema evoluciona.

Ahora es fácil ver que el sistema está en un estado energizado. Su estado básico tendría todas las partículas de alta energía (baja densidad) arriba, y todas las partículas de baja energía (y por lo tanto de alta densidad) abajo, porque eso minimiza la energía potencial de la columna de aire. Sin embargo, tenemos que averiguar cómo se consigue esto.

Considere, sólo por un momento, el movimiento radial del aire. El aire frío, al intentar descender a sus potenciales más bajos, está dispuesto a desplazar al aire caliente. Por lo tanto, el aire caliente trata de moverse hacia arriba, en todas las direcciones, incluso hacia afuera, y el aire frío trata de moverse hacia abajo, en todas las direcciones, incluso hacia adentro. Sin embargo, no podemos tener dos corrientes cruzadas de moléculas, porque chocan. Esta colisión mantiene muy baja la velocidad de entrada/salida de la mayoría de las moléculas de aire. Pero esto no es así en todas partes.

Cerca del fondo, justo en la placa caliente, no hay aire caliente que choque con el aire frío. Una vez que estás en la superficie de la placa caliente, ya no hay aire caliente tratando de subir, pero todavía hay aire frío tratando de bajar. Aquí es donde empezamos a ver el movimiento. El aire frío barre horizontalmente, hasta que la presión se iguala.

Ahora podemos empezar a ver el ciclo que se forma. El aire frío, tratando de minimizar su energía potencial, baja tan directamente como lo hacen los gases, soplando horizontalmente a lo largo de la placa caliente. Cuando lo hace, aparece una ligera zona de baja presión por encima del aire caliente, ya que parte del aire frío se une a esta ligera brisa alrededor del cilindro.

Recuerda que los lados del cilindro no permiten mucho movimiento porque la velocidad radial de los gases es básicamente cero. Sólo hay mezcla por difusión a lo largo de ese límite. Sin embargo, ahora tenemos el aire frío colándose a lo largo de la placa caliente de forma lateral, y el aire caliente empujando hacia arriba. Esta es la base de una célula de convección.

Para terminar el ciclo iterativo, la placa caliente calienta parte del aire frío que acaba de entrar, convirtiéndolo en aire caliente. Ahora tenemos la misma situación que antes, sólo que con dos cambios:

• El cilindro es más alto ahora, porque el aire caliente se ha desplazado hacia arriba
• Ahora hay una ligera corriente de aire ascendente en la región caliente, y una ligera corriente de aire descendente en la región fría.

Si se repite el proceso, se produce el mismo efecto, excepto que ahora la zona de baja presión por encima del cilindro tiene una presión aún más baja porque hay un flujo de masa de aire frío que se aleja de él.

Al final, los límites del material limitan el proceso, pero espero que eso explique por qué el aire caliente sube directamente. Hay una célula de convección con una contracorriente de aire frío justo al lado del aire caliente. En medio, la velocidad radial es muy baja, por lo que vemos muy poca mezcla. En la parte inferior, vemos que el aire frío se mueve lateralmente, y en la parte superior vemos que el aire caliente es arrastrado hacia arriba por las presiones más bajas.

Answer 3

Usted pregunta por qué una columna de aire caliente (como en una chimenea) sube, dado que el aire frío, más denso, está por encima, empujando hacia abajo. Se eleva porque el aire frío más denso en la parte inferior de la chimenea está bajo mayor presión que el aire frío en la parte superior de la la chimenea. La presión extra debida a la altura de la chimenea del aire frío está empujando hacia abajo. La menor densidad del aire caliente hace que que la altura de la chimenea del aire caliente causa menos presión que el aire frío circundante.

En fórmulas, la situación es: fuera de la chimenea,

$$ P_\textrm{(chimney-top)} + \rho_\textrm{(cold-air)}\cdot g \cdot h_\textrm{chimney} = P_\textrm{(cold-chimney-bottom)}$$

para el aire frío, y dentro de la chimenea

$$P_\textrm{(chimney-top)} + \rho_\textrm{(hot-air)} \cdot g \cdot h_\textrm{chimney} = P_\textrm{(hot-chimney-bottom)}$$

donde ' $\rho$ es la densidad del aire.

$$\rho_\textrm{(cold-air)} \gt \rho_\textrm{(hot-air)}$$

Así, el aire frío en el fondo de la chimenea tiene mayor presión que el caliente, se abre paso, y el aire caliente se desplaza (sube).

Answer 4

Si alguna vez has volado con un planeador, ya sea un modelo de planeador radiocontrolado o un planeador de tamaño normal, sabrás que el aire frío cae en columna. Los pilotos de planeadores llaman al aire caliente ascendente "térmicas" y el aire frío que cae "fregadero" . Ambos se mueven en columnas, burbujas, hojas, etc.

Por cada "forma" en que se mueve el aire caliente hacia arriba, el aire frío también puede moverse de la misma manera hacia abajo. De hecho, como has observado, la lógica debería ser aplicable a ambos.

Lo que determina qué parte del aire forma una columna es qué parte es la mayoritaria. Si una pequeña cantidad de aire caliente sube rodeada de aire frío, por supuesto que ese aire caliente será una columna, simplemente por la pequeña cantidad de aire que sube. Si el aire frío se hunde rodeado de aire caliente, entonces por supuesto que ese aire frío será una columna.

La lógica es similar a la de verter agua. Si viertes agua de una botella en el fregadero de tu cocina, el agua cae en una columna. Si, por el contrario, llenas esa misma botella de aire y la sumerges en una piscina, es el aire (las burbujas) el que sube en una columna. Lo que determina si el agua o el aire se convierten en una columna es cuál es la mayoría y cuál la minoría.

Pero hay que tener en cuenta que las columnas no son la única vía de entrada de aire caliente y frío.

Answer 5

Hay dos cosas en juego: la gravedad y la presión del gas. Al principio, debido a la gravedad, el aire más denso está en la parte inferior y el más ligero en la superior. Puedes preguntarte 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 mayor en la parte inferior y menor en la superior. Cuando el aire cerca del fondo se calienta, no empuja hacia arriba, todo lo que hace es expandirse en todas las direcciones debido a su aumento de temperatura (y por lo tanto de presión). Debido a la expansión, su densidad disminuye. Y debido a esta disminución de la densidad, el equilibrio de la 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 que el aire caliente sólo se expande, la gravedad hace el resto.

Ahora te preguntarás por qué la gravedad atrae más al aire más denso que al 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 dónde ir sino hacia arriba, por lo que parece que empuja hacia arriba pero realmente no lo hace (o podemos decir que empuja en todas las 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..