Como ejemplo concreto, considere el agua hirviendo. Cuando el agua hierve, se forman burbujas que suben a la superficie. Sé que las cosas suben por el principio de Arquímedes, sin embargo, según tengo entendido, funciona porque el agua de abajo empuja las burbujas hacia arriba.
Mi pregunta es, (*) ¿cómo llegó el agua debajo de la burbuja en primer lugar? Después de pensar un poco, se me ocurrió la siguiente explicación. Al principio, el agua cerca del fondo del recipiente se calienta, libera gases disueltos y estos gases se expanden, mientras están en contacto con el fondo del recipiente.
Las burbujas continúan expandiéndose, lo que disminuye su presión. Supongo que el aumento de presión debido al aumento de temperatura se compensa porque los gases se expanden rápidamente (¿es correcto?). Además, supongo que (en otras situaciones) cualquier burbuja formada intentará expandirse incluso si el agua no se calienta.
A medida que la burbuja se expande y la presión disminuye, el agua cerca del fondo del recipiente puede "romper" la burbuja porque (1) el agua tiene una presión más alta en el fondo, por lo que es el primer lugar donde el agua puede "romper" la burbuja y (2) la disminución de la presión dentro de la burbuja permite que entre el agua circundante.
De esta manera, el agua circundante se mete debajo de la burbuja y luego la levanta hacia la superficie.
Ahora, no estoy seguro si esta es una explicación correcta. La primera pregunta que tengo es si (1) es válido, es decir, ¿por qué el agua circundante no puede entrar en la burbuja por todos lados? ¿La diferencia de presión que menciono explica esto?
En segundo lugar, qué sucede si no entra agua por los lados de la burbuja. Para probar esto, tengo el siguiente experimento en mente. Considere un tubo de ensayo con agua y caliéntelo uniformemente desde los lados y el fondo. En este caso, lo que espero que suceda es que los gases liberados se acumulen en el fondo del tubo de ensayo y sigan expandiéndose hasta que viertan el agua fuera del tubo de ensayo (como leche hirviendo).
Sin embargo, no tengo el equipo para realizar tal experimento y creo que el experimento anterior podría ser muy sensible en el sentido de que cualquier ligera asimetría podría dejar que algo de agua se deslice hacia el fondo de la burbuja de aire.
Para concluir, ¿es necesario que haya agua debajo de la burbuja para empujarla hacia arriba, es decir, (*) es una pregunta válida? Si es así, ¿es correcta la explicación anterior y cuál es el resultado del experimento que he descrito anteriormente?
Tu interpretación es correcta.
Tenemos una burbuja de vapor rodeada de agua fluida, y el vapor tiene una densidad mucho menor que el agua. La presión de gas promedio en la burbuja será igual a la presión de agua promedio alrededor de la burbuja. Pero la presión del agua cambia con la altura sobre la superficie del fondo, mientras que la presión del gas es casi constante (debido a la diferencia de densidad).
Entonces, en la parte superior de la burbuja, la presión del gas es más alta que la presión del agua, y en la parte inferior es más baja. De esta manera, en la parte inferior, el agua se moverá hacia la burbuja y en la parte superior, la burbuja se moverá hacia el espacio del agua. De esta manera, el agua eventualmente llenará el espacio debajo de la burbuja y la presión más alta levantará la burbuja.
Ahora tienes una capa plana de vapor debajo del agua. Mientras esto no se altere, permanecerá así.
Pero la realidad entra en acción. La naturaleza misma de la temperatura es el movimiento de las moléculas. Así que supongamos una pequeña desviación de la superficie de vapor/agua de ser plana. Luego, en los puntos más bajos de esa superficie, hay una presión de agua más alta, lo que significa que el agua comenzará a moverse hacia abajo en el vapor. Esto reduce aún más la planitud de la superficie, lo que acelera el efecto y pronto encierra al menos una parte del vapor en el agua, creando una burbuja.
La explicación hasta ahora ignoraba cosas como la tensión superficial, la cohesión y la adhesión. Si bien son la razón por la que las burbujas crecen hasta un tamaño específico antes de que comiencen a elevarse y tienen una forma más o menos esférica, también hacen que los experimentos del mundo real se desvíen del razonamiento anterior.
Especialmente con tubos de solo unos pocos milímetros de diámetro, puede esperar que el experimento del tubo de ensayo empuje el agua a pesar de la explicación contradictoria dada anteriormente. Esto seguramente no sucederá con un tubo de 10 cm de diámetro.
Cerca. Cuando se calienta el agua, el agua que está más cerca de la llama comenzará a vibrar rápidamente de tal manera que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se romperán formando un vapor gaseoso. Estos vapores formarán burbujas. Debido a que la densidad de estas burbujas es mucho más baja que la del agua circundante, sentirán una fuerza de flotación y, por lo tanto, ascenderán.
bigote rojo
Carlos Witthoft
bigote rojo