¿Afecta la gravedad a la trayectoria de las partículas de gas?

Question

Estamos estudiando la teoría cinética de los gases en la escuela, y uno de los puntos que se planteó fue que: "Los gases están formados por partículas en movimiento constante y aleatorio". ¿Cómo es posible que las partículas de los gases se muevan en línea recta, de forma totalmente aleatoria? ¿No les afecta la gravedad, o su masa es tan pequeña que su efecto en su movimiento es insignificante?

Answer 1

Sí, la gravedad tira de las moléculas de gas. Por eso la atmósfera no flota en el espacio.

La idea es que el tiempo entre colisiones es muy corto en la atmósfera baja, y las distancias muy cortas. La trayectoria libre media a presión atmosférica es de sólo unos 70 nanómetros. Por tanto, se supone que las partículas de gas viajan en línea recta entre colisiones.

Answer 2

Para añadir a las respuestas anteriores, todas las moléculas y los átomos se ven afectados por la gravedad, por lo que la densidad de la atmósfera es mayor en la superficie de la tierra en comparación con las zonas más altas, razón por la que al escalar el Everest la mayoría de los escaladores llevan oxígeno extra (aunque, notablemente, se ha hecho sin esta ayuda).

A temperatura ambiente las moléculas de gas tienen un media energía térmica de $3RT/2$ ( $R$ es la constante del gas $8.314 \pu{ J mol^{-1} K^{-1}}$ ) y, por tanto, tienen algo de energía cinética y pueden desplazarse de forma aleatoria.

Como no hay más que espacio vacío entre una colisión de una molécula de gas y otra, por la ley de Newton se desplazarían en línea recta a velocidad constante si no se aplica ninguna fuerza. Ahora bien, existe una fuerza y es la de la gravedad que actúa hacia abajo, pero en la pequeñísima distancia entre colisiones de un gas en una habitación, el efecto es insignificante. Por lo tanto, decimos que se desplazan en "línea recta", pero recordemos que esto es sólo una aproximación, aunque muy buena.

(Notas: Las colisiones se denominan "elásticas", lo que significa que no se retiene energía en ninguna de las dos moléculas después de la colisión en comparación con la anterior. También existe una distribución de velocidades, la distribución Maxwell-Boltzmann, o de velocidad la distribución Maxwell).