La explicación habitual para los fluidos calientes que superan a los más fríos es que el fluido más caliente tiene una densidad más baja. Estoy tratando de entender cómo se ve esto a escala molecular. La densidad parece ser un fenómeno a gran escala, y no entiendo cómo puede afectar si una molécula en particular sube o baja.
Considere un cilindro de fluido que se calienta en la parte inferior. Las moléculas en la parte inferior tienen una energía promedio más alta. ¿Cómo resulta esto en la tendencia de las moléculas más cálidas en el fondo a moverse hacia arriba pasando a las más frías?
Vista semi-macroscópica:
La palabra clave para entender este problema es flotabilidad . La flotabilidad es el resultado de diferentes presiones. Dado que el aire caliente es menos denso que el frío, hay menos impactos en el globo (imaginario) de partículas más calientes desde el interior que desde el exterior, por lo que hay una presión neta hacia el interior.
Sin embargo, dado que esta diferencia de presión es mayor en la parte inferior que en la parte superior del globo, la fuerza neta sobre el globo es hacia arriba. Esto se debe simplemente al hecho de que el cambio de presión es proporcional solo a la densidad de la materia con la misma diferencia de altura y aceleración gravitatoria.
Vista microscópica:
La pregunta principal es: ¿por qué hay moléculas en la parte superior del recipiente, si la gravedad las empuja hacia abajo? Se debe a que la densidad aumenta a medida que desciende, por lo que hay más "patadas" hacia arriba que "patadas" hacia abajo a cierta altura, lo que equilibra la fuerza gravitatoria y mantiene las partículas a la misma altura. Una partícula más cálida crea más espacio a su alrededor, es "menos densa", por lo que debe viajar hacia arriba.
Dices que "la densidad parece ser un fenómeno a gran escala", y creo que tienes toda la razón. La temperatura también es un fenómeno a gran escala . Podría decirse que no existe tal cosa como una molécula "más caliente" o "más fría", al menos en un gas ideal. Hay moléculas más rápidas y moléculas más lentas , y en un momento dado en un gas, las moléculas rápidas chocan con las moléculas lentas, transfiriendo impulso en el proceso. Esto significa que una molécula determinada puede pasar de ser una molécula más rápida a ser una molécula más lenta muchas veces en muy poco tiempo.
De hecho, podría tener sentido describir la temperatura como una medida de "densidad de energía". Considere la ecuación que relaciona la energía cinética promedio de una partícula con la temperatura del sistema en un gas ideal:
Esto dice, muy simplemente, que la energía cinética promedio de una sola partícula en un sistema es proporcional a la temperatura de ese sistema. Dado que esa es la energía cinética promedio de una sola partícula, podríamos obtener la cantidad total de energía cinética en el sistema multiplicando lo anterior por el número de partículas (o realmente, tres veces el número de partículas, dadas estas constantes de proporcionalidad particulares, ya que una sola partícula tiene tres grados de libertad en un espacio tridimensional). La temperatura, entonces, es realmente análoga a la densidad; la densidad es masa por volumen y la temperatura es energía cinética por partícula.
Entonces, en un sentido muy real, no hay una imagen microscópica del fenómeno que describes. En cambio, hay regiones en una bolsa de gas en las que la velocidad promedio de las moléculas es más alta o más baja, lo que corresponde a regiones de temperatura más alta o más baja. En aquellas regiones en las que la velocidad media de las moléculas es mayor, el gas tenderá a empujar contra su entorno, haciéndose menos denso si se le permite. En aquellas regiones en las que la velocidad media de las moléculas es menor, el gas tenderá a comprimirse, haciéndose más denso.
A partir de ahí, el fenómeno se explica fácilmente por el concepto básico de flotabilidad. En una región densa de gas, una bolsa de gas menos densa será empujada hacia arriba por el gas denso, que a su vez es empujado hacia abajo por la gravedad; por lo tanto, el aire caliente sube.
Todas las moléculas se mueven, con bastante rapidez, todo el tiempo, y chocan constantemente entre sí. Los más cálidos se están moviendo aún más rápidamente, por lo que "ganan" en sus colisiones con los más fríos, alejándolos. (Eso es lo que es la baja densidad.)
Luego, si hay algún campo de gravedad que los tire hacia abajo contra una superficie (no están en caída libre), los más fríos tienen menos velocidad para "alejarse" de los que están debajo o de la superficie, por lo tanto, se congregan debajo.
Incluso en algo tan espectacular como un motor de cohete, la velocidad térmica de las moléculas es mucho mayor que la velocidad de escape. Esto se ve en videos de motores de cohetes en el espacio, donde el penacho de escape es muy ancho, en lugar de estrecho como cerca del suelo.
Pobre