Imagine un pistón de gran diámetro lleno de agua conectado a un pequeño embudo. Cuando presiona el pistón lentamente pero con una fuerza considerable, el agua se moverá muy rápidamente desde el embudo en forma de chorro. Pero, ¿cómo es posible a nivel molecular?
Las moléculas de agua se mueven constantemente en el pistón con varias velocidades y direcciones chocando entre sí e intercambiando impulso como bolas de billar, sin embargo, las moléculas de agua del embudo se mueven uniformemente a gran velocidad.
Quiero saber cómo es posible que las moléculas lentas agreguen impulso a las que ya se mueven más rápido que el promedio. En la analogía de la bola de billar, la bola de movimiento lento que se mueve en la misma dirección nunca alcanzaría a la más rápida para aumentar aún más su impulso y, si se moviera en la dirección opuesta, solo podría recibir impulso de la más rápida y, por lo tanto, solo disminuiría su velocidad. .
Ahora me imagino que esta pregunta probablemente suene tonta, pero no puedo encontrar ninguna respuesta después de buscarla, así que decidí preguntar aquí.
La pregunta no es tonta. La velocidad de cada molécula en el líquido es mucho mayor que la velocidad del pistón o del agua que sale disparada de la boquilla. A temperatura ambiente, para las moléculas de agua la media es del orden de 500 m/s. Y, sin embargo, la velocidad del sonido en el agua es tres veces mayor que eso, lo que implica que la presión puede propagarse en el agua a esa velocidad. Sin embargo, si intentara hacer un chorro de moléculas de agua más rápido que la velocidad del sonido, tendría dificultades con el método de la boquilla. Obtendría un frente de choque, un fuerte calentamiento, posiblemente ionización... todos los mecanismos de pérdida que restringirían la velocidad que realmente está buscando. La mejor manera sería hacer un pistón que dispare un cilindro/pistón que dispare agua. Es un cohete de dos etapas... para arrojar agua.
Retomando el comentario de Aaron: tiene toda la razón en que uno puede encontrar formas de boquillas que convierten un gas caliente a alta presión en un flujo supersónico limpio. Ese es el requisito principal para construir motores de cohetes eficientes. La tobera del motor en ese caso es una máquina termodinámica que convierte la energía térmica interna del gas en un flujo dirigido que es muchas veces más rápido que la velocidad del sonido en el gas.
Las moléculas adyacentes en un líquido se repelen entre sí debido a las nubes de electrones que rodean los núcleos que contienen. En ese sentido, estas moléculas ni siquiera se 'tocan' entre sí (al menos no en el sentido intuitivo de la palabra).
Cuando aplica presión al líquido, lo está comprimiendo en un volumen (muy ligeramente) más pequeño, lo que aumenta las fuerzas de repulsión entre ellos. Ahora permita una salida (su embudo o el agujero en el cartón de leche de la respuesta anterior) y estas fuerzas repulsivas aumentadas ahora impulsan las moléculas a través de la salida en un flujo macroscópico. Cuanto mayor es la presión, más disminuye el volumen (y, por lo tanto, se reducen las distancias intermoleculares), más aumentan las fuerzas repulsivas y mayor es el caudal macroscópico a través de la salida.
Simplifiquemos las cosas hasta el mínimo: una dimensión, una partícula y una pared.
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La partícula se mueve hacia la derecha, golpea la pared y rebota perfectamente elásticamente. Si la pared está fija en su lugar, la partícula dejará la colisión con exactamente la misma energía cinética con la que entró.
Pero, ¿y si la pared se está moviendo hacia la izquierda en el momento de la colisión? ¿Ves que la partícula debe ganar energía cinética en la colisión, incluso si la pared se mueve mucho más lentamente que la partícula?
(Un escenario del mundo real donde esto realmente sucede: golpear una pelota de tenis con una raqueta).
Su concepto erróneo es que las partículas de agua se mueven muy lentamente o están estacionarias porque no se escapan. De hecho, se mueven muy rápidamente y constantemente rebotan entre sí y contra las paredes del contenedor. La presión es básicamente cuántas colisiones ocurren durante un período de tiempo determinado. A medida que aprieta el pistón, aumenta la presión, lo que significa que hay más energía en el interior.
Las moléculas de agua en la corriente también se mueven a diferentes velocidades entre sí y rebotan entre sí. Solo se mueven a alta velocidad en relación con la velocidad promedio del agua en el recipiente. Si todas las moléculas de agua se movieran a la misma velocidad, tendríamos hielo en el cero absoluto. Incluso en hielo a unos pocos grados por debajo del punto de congelación, las moléculas se mueven rápidamente y rebotan entre sí, pero no lo suficientemente rápido como para romper los enlaces débiles que las unen en una estructura sólida.
Entonces, las moléculas individuales de agua en la corriente en su mayoría se mueven mucho más rápido que la corriente misma y rebotan entre sí (a veces en la dirección opuesta de la corriente); es solo la velocidad promedio que puedes ver a simple vista, que es la velocidad de la corriente.
Trate de hacer un pequeño agujero en un recipiente de cartón de leche. Aprieta el recipiente. Solo presiona ligeramente, pero la leche se vierte rápidamente por el pequeño orificio.
Este sistema simplemente redistribuye la fuerza total que proporciona en un área mucho más pequeña. La misma fuerza en un área más pequeña es igual a una presión mayor:
La presión sobre las partículas en la abertura es mucho mayor y, por lo tanto, esas partículas aceleran mucho más y ganan una velocidad mucho mayor.
El problema de su conclusión radica en una premisa defectuosa, que creo que es muy común. Ninguna de las otras respuestas ha abordado esto.
La Teoría Cinética de la Materia no explica por sí sola todo el comportamiento macroscópico.
Esto significa que aunque podemos comprender gran parte de las propiedades de la materia macroscópica desde el punto de vista de la Teoría cinética de la materia KTM (principalmente sistemas similares a gases, formados por cuerpos que interactúan débilmente), no podemos inventar todas las propiedades de los sistemas que interactúan más fuerte, como los líquidos. .
Por ejemplo, el hecho de que un líquido no se extienda por un volumen mayor, como un gas, puede entenderse cualitativamente diciendo que las moléculas están más unidas entre sí. Todavía en un marco KTM, los potenciales entre moléculas no son diferentes en los estados gaseoso y líquido del sistema macroscópico, por lo que no podemos explicar cómo, al estar las moléculas más cerca, el sistema macroscópico se comporta tan drásticamente diferente.
Existe otro concepto erróneo relacionado con el anterior, o al menos que aparece con tanta frecuencia, que es la relación entre el movimiento de los componentes microscópicos y el movimiento del sistema macroscópico . No están relacionados en absoluto, y hay muchos ejemplos, pero uno simple puede transmitir la idea: la velocidad del sonido, es decir, las vibraciones mecánicas del sistema macroscópico donde las partes macroscópicas relativas se mueven entre sí, más pequeñas en gases que en sólidos, sin embargo, las velocidades promedio de las moléculas en los primeros son drásticamente grandes. Este es otro fenómeno que KTM no puede explicar por cierto.
Entonces, ninguna molécula más lenta da impulso a las más rápidas en su ejemplo, todas tienen la misma distribución de velocidad tanto en la parte más lenta del líquido como en la parte más rápida del túnel.
La descripción de este comportamiento está contenida en la Ley de redistribución de la presión de Pascal, y contenida en la Ecuación de Navier-Stoke más completa.
En cuanto a la explicación de cómo esto se conecta con el comportamiento microscópico, que es lo que buscas según me parece, bueno, estás en el camino correcto para encontrarlo, sigue haciendo preguntas.
Ardath
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