¿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

Una explicación más completa implica la energía de los átomos/moléculas del aire en lugar de la densidad.

Lo que ocurre es una combinación de los dos fenómenos siguientes:

1) Cuando se calienta el aire por encima de la placa, los átomos del aire se energizan en función de la temperatura. Esta energía adicional se manifiesta como la velocidad de los átomos del aire. Al hacerlo, tienden a desplazarse, lo que crea una depresión de la presión sobre la placa, ya que todos los átomos tienden a salir volando.

2) Esta caída de presión hace que entre aire frío que sustituye al aire caliente sobre la placa. Como ves, no se trata de la densidad fundamentalmente, sino de la energía y de la caída de presión que hace entrar el aire frío.

Answer 2

El problema de tu modelo es que sólo consideras la densidad de las partículas y no su movimiento. Si se calienta una placa, las moléculas que se encuentran sobre ella ganan energía térmica y comienzan a moverse cada vez más rápido. Chocan entre sí y con las partículas más frías en el límite de la columna de aire sobre la placa.

Como la presión disminuye ligeramente a medida que se sube, el camino de menor resistencia para que las partículas se muevan es hacia arriba. A través de ese movimiento aleatorio y de la asimetría en la presión por encima y por debajo de la columna (por debajo hay una sartén, que es un sólido y puede ser modelada por un gas de altísima presión), acaban forzando su camino hacia arriba.

También se puede imaginar que se pone de lado un plato caliente. Al principio las moléculas se alejarían de la sartén por el mismo argumento de asimetría y movimiento aleatorio. Pero una vez que se hayan alejado un poco de la sartén, el gas empezará a subir.

Resumen: Asimetría en la presión y movimiento aleatorio.

Answer 3

Usted dice "por qué se eleva en una columna". Mi respuesta sería: ¿por qué no lo haría? (al menos al principio). No hay ninguna fuerza lateral que actúe. Como ya se ha dicho, en escalas de tiempo cortas se puede ignorar la deriva de las moléculas individuales (que es mucho más lenta que la velocidad de las propias moléculas), y se puede tratar el gas como pequeños paquetes. Si se calienta un paquete, su presión aumenta (las moléculas tienen mayor velocidad). Ahora intenta expandirse, ya que tiene más presión que el gas circundante, quiere llegar a una densidad más baja para alcanzar el equilibrio de presión con su entorno. Empuja en todas las direcciones para intentarlo, pero es más fácil empujar hacia arriba que hacia abajo, por lo que empieza a adquirir una velocidad ascendente.

Lo que me parece mucho más interesante es lo que ocurre después...

A medida que el paquete suba se expandirá. O bien chocará con un obstáculo (por ejemplo, el techo) o encontrará un nuevo equilibrio. Al final, por supuesto, se enfriará (sigo ignorando la difusión). Pero lo que sube, tiene que bajar, así que el gas que sube tiene una masa igual de gas que baja. Cuando empiezas a pensar en cómo se producen exactamente los flujos que suben y bajan, te das cuenta de que no hay una manera "limpia" o suave de hacerlo. En su lugar, los flujos serán caóticos y turbulentos; las pequeñas variaciones en el flujo a través de la habitación desencadenarán todo tipo de inestabilidades emocionantes y un patrón de convección que cambia constantemente. Se trata de un problema de hidrodinámica que no tendrá solución analítica, pero que probablemente dará lugar a vídeos muy interesantes.

Answer 4

Sólo mis dos centavos: parece que nadie ha mencionado el principio de Arquímedes hasta ahora.

Eso es básicamente lo que ocurre aquí. El aire caliente se expande en una burbuja de menor densidad, que obtiene una elevación igual al peso del aire frío desplazado.

Por supuesto, el aire caliente no está contenido dentro de un volumen cerrado (como ocurriría en un globo), pero la igualación de la temperatura mediante la mezcla de aire frío y caliente es un proceso comparativamente lento que sólo ocurre en una capa límite relativamente fina.

Sin embargo, el aumento y la dilución son fenómenos que compiten entre sí. Vierta un poco de aceite desde el fondo de un vaso de agua y pronto flotará hacia arriba. Sustituye el aceite por alcohol y se diluirá antes de tener la oportunidad de llegar a la cima.

Answer 5

En cualquier caso, tienes aire caliente subiendo y el aire frío que baja. Depende de la situación. Imagine una chimenea, el aire caliente sube por la chimenea, el aire frío baja por el exterior de la chimenea. Si el aire frío intentara empujar el aire caliente hacia abajo de la chimenea, esto empujaría el aire menos denso hacia abajo, lo que no funcionaría. Así que es la asimetría horizontal la que permite que el aire caliente suba por un lado y el aire frío baje por otro.

Ahora, imagina una placa muy grande calentada. En una situación en la que el aire empieza completamente quieto, el aire caliente no sube (mientras la temperatura no sea demasiado alta), se queda porque no hay asimetría. Sólo cuando hay una perturbación o una diferencia de temperatura demasiado alta, se inicia la convección. En ese caso, de nuevo, el aire caliente sube en un lugar y el aire frío baja en otro.