¿Qué es el viento frío?

Question

Según mi entendimiento, la temperatura es el movimiento de partículas en un ambiente. Un ambiente altamente energético donde las partículas poseen alta energía tiene una temperatura alta, y baja energía significa baja temperatura.

El viento en general significa velocidad y energía en mi opinión, entonces ¿qué significa viento frío? ¿Cómo puede existir? ¿Es un grupo de partículas súper estables moviéndose juntas? ¿Se mueve lentamente? El aire acondicionado transfiere calor bien, pero ¿qué sucede a nivel de partículas? ¿Las partículas de repente dejan de moverse/mueven menos cuando golpean el elemento de transferencia de calor-cómo?

Answer 1

Técnicamente, todo es el mismo movimiento. La diferencia es magnitud y dirección y cómo se separa la superposición de ellos.

La temperatura es el resultado de los componentes del movimiento (vectores) de cada molécula de aire individual con un movimiento de traslación neta de cero a lo largo del tiempo. Este movimiento es aleatorio y se produce en muchas direcciones mientras se mueven, chocan y rebotan entre sí y con objetos. Esta velocidad es aparentemente alrededor de 500m/s, solo para darte una idea: https://pages.mtu.edu/~suits/SpeedofSound.html

El viento es el movimiento colectivo de una masa de moléculas de aire en movimiento aleatorio: la velocidad promedio del movimiento real de las moléculas de aire individuales. Al promediar sus velocidades se cancelan los vectores que apuntan en direcciones "aleatorias" lo que lleva a un movimiento neto cero, dejando únicamente el movimiento de traslación colectivo restante. Obviamente, el viento no suele ser de 500m/s.

Entonces, típicamente, los vectores de impacto neto cero entre las moléculas de aire y los objetos son mucho más rápidos que aquellos debidos al movimiento colectivo / promedio de las moléculas de aire (viento). Esto significa que los vectores de impacto neto cero dominan sobre los vectores de impacto de traslación en la transferencia de energía cinética (calor) en cualquier dirección hacia dentro o fuera de tu cuerpo.

Pero si estás volando en un SR-71 a través del aire a Mach 3, la velocidad relativa del viento es tan alta que los vectores del movimiento de traslación de las moléculas de aire son mucho más grandes que los del movimiento aleatorio neto cero. El resultado es un calentamiento neto de la piel de la aeronave debido a los impactos del viento, incluso si las velocidades aleatorias de las moléculas de aire individuales hacen que el aire sea muy frío que de otra manera enfriaría la piel del avión.

Entonces, un viento frío sería uno en el que el movimiento vibratorio cinético (movimiento térmico) de las moléculas en tu cuerpo es mayor que el movimiento aleatorio de las moléculas de aire individuales de modo que la energía se transfiere fuera de tu cuerpo hacia el aire desde las colisiones en lugar de hacia dentro, y los vectores de impacto del movimiento promedio del aire (viento) son demasiado lentos para transferir energía del aire hacia tu cuerpo y solo reemplaza las moléculas de aire calentadas por tu cuerpo con moléculas de aire fresco y frío.

Answer 2

La temperatura está relacionada con el movimiento, sí. Y el viento es movimiento. Pero los números importan.

Una partícula con temperatura $T$ (en unidades absolutas, como Kelvin) típicamente tendrá una energía cinética de aproximadamente $kT$, donde $k$ es la constante de Boltzmann. Para las moléculas de nitrógeno y oxígeno a temperatura ambiente, la velocidad típica asociada con esta energía cinética típica es de unos pocos cientos de metros por segundo. Eso es un orden de magnitud más rápido que los vientos en las tormentas más rápidas de la Tierra. El movimiento térmico está más cerca de la velocidad del sonido que de la velocidad del viento. (¿Por qué la velocidad del sonido está cerca de la velocidad térmica media? Esa es una pregunta divertida para intentar responder por tu cuenta.)

Normalmente no nos importan mucho las velocidades de las moléculas individuales en el aire, porque su longitud libre media es muy corta: menos de 100 nanómetros para el aire a temperatura ambiente. Aunque esas moléculas estén moviéndose rápidamente, nunca van muy lejos antes de cambiar de dirección.

Si enciendo un fósforo al otro lado de la habitación, escucharás el ruido en cuestión de milisegundos, porque la onda de presión a la que responde tu oído viaja a aproximadamente la velocidad térmica media. Pero es posible que no huelas el humo del fósforo durante muchos segundos, porque las moléculas olorosas a las que responde tu nariz tienen que llegar hasta ti por difusión.

Un "viento" es el movimiento colectivo de todas las moléculas en el gas. Cada molécula en el viento tiene un movimiento térmico cuya dirección es casi aleatoria, con solo una ligera preferencia por la dirección del viento en la que sopla. Debido a que el movimiento térmico es mucho más rápido que la velocidad del viento, hay mucho espacio para que la temperatura del aire que se mueve colectivamente sea inferior a la temperatura del aire estacionario colectivamente que está desplazando.

Answer 3

Ya hay dos respuestas increíbles arriba, pero creo que explicarlo de forma más sencilla podría ser útil:

• Las moléculas en el viento tienen movimiento vibracional así como movimiento traslacional.

• La velocidad vibracional es más alta que la velocidad traslacional (en situaciones generales).

• Cuanto mayor es la velocidad vibracional, más energía cinética hay en las moléculas, por lo tanto más calor contenido y temperatura en el viento.

• Por lo tanto, la temperatura depende del movimiento vibracional y no del movimiento traslacional, el último lo sentimos como viento soplando, y sentimos el movimiento vibracional como calor. El movimiento traslacional es independiente del movimiento vibracional en las moléculas del viento.

• Si la velocidad vibracional es mayor que la velocidad vibracional de las moléculas en nuestra piel, nos sentimos más calientes ya que el calor viaja del viento a nuestra piel, y al contrario si es lo opuesto.