Expansión adiabática en la atmósfera

Question

Cuando un paquete de aire se eleva y se enfría adiabáticamente, se dice que no hay transferencia de calor ya que se realiza un trabajo sobre la atmósfera circundante al expandirse el paquete. El paquete pierde energía interna y se produce la condensación. Entiendo este concepto, pero ¿por qué el trabajo se realiza sobre las partículas circundantes de menor temperatura por las partículas de mayor temperatura y no simplemente por conducción, lo que sería una transferencia de calor? ¿Las partículas que se mueven más rápido en el paquete de aire no conducirían el calor al chocar?

Answer 1

El trabajo que se realiza en el entorno se debe a que el paquete de aire se expande al disminuir la presión.

Habría cierta transferencia de calor si la parcela de interés tiene una temperatura diferente a la del aire circundante. Este efecto es menor porque los gases son malos conductores del calor, como menciona @gerrit. Esto se aprovecha con el aislamiento de fibra de vidrio y espuma de poliestireno.

Answer 2

Sé que es una pregunta antigua y que ya se dio otra respuesta, pero me gustaría profundizar en ella porque también me parece una pregunta interesante.

Creo que en realidad se formularon dos preguntas.

1. ¿Por qué la masa de aire caliente ascendente no transfiere su calor al aire frío circundante directamente? Creo que el autor se refería a dos mecanismos: la conducción y la difusión.

   • Conducción. La conducción directa del calor del gas caliente al gas frío no es un mecanismo eficiente ya que:

     • Las moléculas del gas sólo pueden transferir energía térmica mediante colisiones aleatorias. Por lo tanto, cada molécula tiene que esperar a colisionar con algo antes de tener la oportunidad de transferir su energía. A diferencia de los sólidos con, por ejemplo, una estructura de celosía rígida, donde el movimiento de cada átomo impacta rápidamente en todos los átomos cercanos de la celosía rígida.

     • En un gas mixto como el aire, cuando dos moléculas chocan, la colisión puede no transferir toda la energía. Cuando una molécula de gas ligera colisiona con una molécula de gas pesada (o viceversa), ambas partículas pueden salir de la colisión con más o menos la misma energía cinética con la que entraron (dependiendo del desajuste de sus respectivas masas). Esto es similar al desajuste de impedancia.

   • Difusión. La difusión directa de las moléculas de gas caliente en las moléculas de gas frío también es bastante lenta, especialmente en comparación con las dimensiones de las masas de aire que afectan al clima. Las moléculas que se difunden siguen un movimiento browniano que se expande sólo como raíz cuadrada del tiempo. [1]

2. ¿Por qué el aire caliente ascendente realiza algún trabajo?

   • Llegamos a la conclusión de que la masa de aire caliente no se difunde en el aire frío y no le transfiere calor directamente. Entonces, ¿qué hace en su lugar? El aire caliente está empujando el aire frío como si empujara un pistón, por lo que está realizando un trabajo y, por tanto, pierde energía interna.