Las líneas en el aceite de cocina calentado son Células de Rayleigh-Bénard mientras que las estructuras de la superficie del Sol son los límites de gránulos solares . Sin embargo, ambos surgen del mismo fenómeno: la convección.
Imagine un plano plano de líquido en un campo gravitatorio. Hay una fuente de calor debajo: en el caso del aceite, es la estufa; en el caso del Sol, es el resultado de la fusión del hidrógeno más abajo. Esto crea una diferencia de temperatura entre la parte superior del plano y la inferior.
En general, las bolsas de fluido más calientes se expanden contra las más frías. Piense en el ley de los gases ideales : $$PV=nRT$$ donde $P$ es la presión, $V$ es el volumen, $n$ es el número de moles de la sustancia, $R$ es una constante, y $T$ es la temperatura. Alternativamente, piénsalo en términos de densidad, $\rho$ : $$P\sim\rho T\to\frac{P}{\rho}\sim T$$ A medida que aumenta la temperatura, también debe $P/\rho$ Por lo tanto, el fluido se expande. Se vuelve menos denso. Esto significa que la bolsa se elevará por encima del fluido más frío. Piense en un vertido de petróleo en el océano. En general, el petróleo es más denso que el agua de mar ( hay excepciones en agua dulce ); por tanto, flota hacia arriba. Lo mismo ocurre con el aceite de cocina y el Sol. La flotabilidad actúa para contrarrestar la fuerza de la gravedad.
En el caso de las celdas de Rayleigh-Bénard, la ley de los gases ideales no es nuestra mejor elección para una ecuación de estado. Podemos aproximar la relación temperatura-densidad escribiendo $$\rho-\rho_0\approx-\rho_0\alpha(T-T_0)$$ donde $_0$ denota la temperatura y la presión de referencia y $\alpha$ es una constante elegida. A veces se denomina la aproximación de Boussinesq .
Una vez que el material calentado alcanza la parte superior del fluido, se enfría y, finalmente, vuelve al fondo para dejar espacio al fluido recién calentado. Las líneas en el aceite de cocina son los límites de las celdas de Rayleigh-Bénard, donde el aceite frío comienza a hundirse hacia abajo mientras que el aceite caliente sube a la parte superior a través del centro de las celdas. Lo mismo ocurre en los gránulos solares; las manchas oscuras representan los puntos más fríos donde el gas (¡relativamente!) frío se desplaza hacia abajo.
