Es una cuestión de termodinámica. La diferencia de temperatura crea un motor térmico que funciona contra el gas ambiental y también contra la gravedad.
La distribución de velocidades de un gas implica dos factores competitivos. La distribución de Boltzmann predice que los estados de menor energía estarán más poblados de acuerdo con una ley exponencial. (Este tipo de exponenciales está en el corazón de la termodinámica, pero realmente no necesitamos invocar la entropía para explicar esto. La mecánica cuántica también está involucrada, pero) no profundicemos demasiado).
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Las bajas energías son producidas por esa distribución exponencial de energía de Boltzmann. (Un momento de respeto al pobre Boltzmann).
La energía cinética en sí misma es proporcional a la velocidad al cuadrado, por lo que las altas velocidades se ven favorecidas por ese factor v cuadrado. Eso significa que, en lugar de esa curva descendente, la curva de velocidad tiene más forma de campana.
Este cuadro es un cálculo para el hidrógeno a 0 y 100 grados para comparación. Felicitaciones a nuestro viejo amigo Maxwell nuevamente.
No solo se ha movido el promedio hacia arriba, sino que la extensión se está ampliando para dar moléculas de mayor velocidad. La temperatura envía la curva a la derecha, pero la masa la envía a la izquierda, por lo que el factor se resume como la raíz cuadrada de T / m donde m es la masa de la partícula.
Todo esto le dice que las altas velocidades moleculares se vuelven más importantes a medida que aumenta la temperatura y fenómenos como la difusión aleatoria son mucho más rápidos a medida que aumenta la temperatura. Es la misma razón por la cual el azúcar se disuelve más rápido en agua caliente que en frío. Pero agitamos el azúcar en el agua porque la difusión sigue siendo un proceso lento. Por lo tanto, una bolsa de aire puede tratarse como un objeto, como si estuviera en un contenedor de aire difuso a una temperatura diferente.
La presión ejercida por un gas es una densidad de energía. Esta es la pista. Puedes ver eso claramente con las unidades. Fuerza / Área es como lo habrás aprendido. Pero multiplique la parte superior e inferior por una longitud. Obtienes energía / volumen.
Esto tiene sentido porque la energía es una función de v al cuadrado, mientras que el impulso es una función de solo v. Por lo tanto, mientras más energía por volumen bombees en un neumático de automóvil, más intercambio de impulso por área por tiempo obtienes, incluso por colisiones del gas con un área arbitraria como las paredes de los neumáticos. Debes saber que la fuerza es una tasa de impulso. Ese conocimiento se remonta a Newton.
Por lo tanto, la energía de presión produce una fuerza (tasa de colisión de impulso) dirigida contra el gas exterior más frío, y puede funcionar.
Se expande hasta que las presiones se igualan. El gas caliente depende principalmente de su población de moléculas de mayor momento para forzar el retorno del gas frío.
Pero ahora, de hecho, tenemos un pequeño motor térmico , que también puede funcionar contra la gravedad, no solo contra su entorno más frío. ¿Cómo funciona este motor térmico convectivo?
A medida que aumenta su volumen, se desarrolla una fuerza de flotación debido a que la sección inferior del gas del ambiente frío ejerce una mayor fuerza neta hacia arriba que la sección superior. Como una burbuja bajo el agua, el bolsillo no se levanta, literalmente se empuja hacia arriba. La energía pasa a través de varias deformaciones de fluido (gas) y fluidos de fluido (gas), pero el resultado neto es que la diferencia de calor es como un pequeño motor que supera la gravedad hasta que se disipa. Básicamente eso es convección en el trabajo.
