Me doy cuenta de que a medida que los globos suben, la presión atmosférica disminuye, haciendo menos para contrarrestar la fuerza de las partículas de gas que empujan contra las paredes internas del globo. Pero al mismo tiempo, ¿no disminuye la temperatura exterior, causando que las partículas de gas en el globo pierdan energía y tengan colisiones menos impactantes y una menor velocidad? ¿Es la razón por la cual el volumen aumenta de todas formas porque la presión exterior disminuye más rápido que la temperatura? ¿O estoy pensando demasiado en esto?
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
No sabía que los globos se expanden durante el vuelo debido a la termodinámica, y no sabía cuán alto podían volar, pero una rápida búsqueda dice que un globo regular parcialmente desinflado puede volar hasta una altitud de alrededor de $\pu{25 km}$.
Ahora, $\pu{25 km}$ significa que alcanza la primera parte de la estratosfera, con temperaturas de $\pu{-60 ^\circ C}$, que aumentan gradualmente hasta $\pu{0 ^\circ C}$ a $\pu{50 km}$. En cuanto a la presión, va desde alrededor de $\pu{40 mmHg}$ hasta $<\pu{1 mmHg}$ en el rango de $25\text{–}\pu{50 km}$.
Si intentas un cálculo de $pV=nRT$ con estos datos, verás que el gas ya está a alrededor de 10 veces su volumen inicial con una presión de $\pu{40 mmHg}$ y una temperatura de $\pu{213 K}$, ¡y que en el punto de $\pu{50 km}$ el volumen se ha incrementado en 700 veces!
Además: mientras que la tendencia de la presión es bastante lógica, la de la temperatura es causada por interacciones complejas (por ejemplo: los rayos del sol que calientan partículas). Puedes encontrar esta imagen bastante interesante:
Ian
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Estás en lo correcto, exactamente se trata de la disminución de la presión atmosférica a un ritmo lo suficientemente rápido como para superar la contracción debida a la disminución de la temperatura. En un día agradable, claro y seco a 25°C al nivel del mar, la presión atmosférica disminuye aproximadamente un 12% por km, mientras que la temperatura del aire disminuye alrededor de un 3% por km.
Esto es muy similar al proceso que permite que las nubes convectivas se expandan con la altura y que se formen las tormentas resultantes. Si una masa de aire comenzara a ascender y luego a contraerse debido al enfriamiento, ese sería el fin de ese evento de convección.
PoppaVein
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Gracias a la ley de los gases ideales, el volumen del globo no depende realmente del hecho de que el gas en su interior sea helio en particular. Por lo tanto, deberíamos obtener el mismo volumen si llenamos el globo con aire ordinario y lo elevamos en la atmósfera mecánicamente en lugar de dejarlo elevarse por su propia flotabilidad.
En este experimento mental modificado, la densidad del gas dentro del globo es exactamente la misma que la densidad del aire circundante, asumiendo que tanto la presión como la temperatura están igualadas.
Si el volumen del globo se mantuviera igual, esto requeriría que la atmósfera tuviera la misma densidad en todas las altitudes. Pero entonces necesitaría haber infinitamente más de ella, lo que es absurdo en conflicto con las observaciones: Es bien sabido que la densidad en el espacio tiende a cero, y dado que la atmósfera no es un líquido, no tiene un borde superior distintivo, por lo que su densidad debe disminuir gradualmente a medida que nos movemos hacia arriba.
Además, si la densidad fuera la misma en todas partes, el aire a nivel del mar no estaría comprimido por el peso de la atmósfera que está por encima de nosotros, lo que es también absurdo. (Considera qué sucede si comprimimos una porción de aire con un pistón, por ejemplo, una bomba de bicicleta. Tanto la presión como la temperatura aumentarán, ¡pero la temperatura no aumenta tan rápido como para que el volumen se mantenga constante!)
Igor Oks
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Lo que estás viendo es la igualación de presiones. La cantidad de gas en el globo se mantiene igual, pero la presión necesita disminuir (a medida que la presión exterior disminuye). La única forma en que esto se puede lograr es aumentando el volumen que ocupa este gas, ya que una misma cantidad de gas distribuida en una superficie más grande significa una presión más baja.
Una forma rápida de observar esto es colocando un globo lleno con cualquier gas en una cámara de vacío progresiva.
