Densidad del océano vs densidad de la atmósfera

Entiendo que la densidad de los océanos en la Tierra es constante en promedio, independientemente de la profundidad. Es 1020 kg/m^3 en la superficie y 1050 kg/m^3 en aguas profundas.

También entiendo que este no es el caso con la atmósfera. La densidad de la atmósfera disminuye con la altura.

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Sin embargo, no pude encontrar ninguna descripción en QM que describiera la diferencia entre los dos medios y cómo reaccionan de manera diferente a la gravedad, y la distancia desde el centro de masa cambia o no su densidad.

Pregunta:

  1. ¿Hay alguna explicación de por qué la densidad de los océanos es (en su mayoría) independiente de la profundidad, pero la densidad atmosférica cambia con la altura (es solo porque uno es líquido y el otro es gas)?

  2. ¿Hay una explicación de QM para esto (material diferente) o es solo por la distancia desde el centro de masa (GR)?

¿Por qué crees que QM y GR tienen algo que ver con esto? El agua es incompresible, el aire es comprimible, y este es un hecho básico en la física clásica sobre los estados de la materia.
Quería saber si hay una explicación QM para su nivel de compresibilidad.
Y dado que la densidad atmosférica disminuye con la distancia desde el centro de masa, pensé que la gravedad explicaría esto (la dirección de la disminución). ¿Me equivoco con estos?
Sí, la gravedad afecta la densidad, pero es excesivo invocar GR para ello.
@Triatticus ¿Entonces la gravedad acerca las moléculas de aire al centro de masa, pero la gravedad es más débil a medida que nos alejamos? Entiendo que los gases no son incompresibles. Lo que no entiendo es, ¿por qué el aire no tiene una sola densidad promedio, por qué la densidad disminuye? ¿Por qué todas las moléculas de aire no son atraídas hacia el centro hasta que ya no son más comprimibles?
De hecho, QM está involucrado aquí y ambas respuestas no explican esto. Las moléculas de agua se mantienen unidas a una distancia constante por las fuerzas electromagnéticas residuales de atracción y repulsión: articleadventure.org/residual_m.html
¿Por qué todas las moléculas de aire no son atraídas hacia el centro hasta que ya no son más comprimibles? - Se mueven demasiado rápido. A temperaturas normales, su energía cinética es mayor que la energía de atracción. Lo contrario para el agua.
@safesphere tienes razón esta vez. Esta es la pregunta: "¿Por qué todas las moléculas de aire no son atraídas hacia el centro hasta que ya no son más comprimibles?"
Y entonces estás diciendo que esto se debe a que su energía cinética es grande y básicamente no están en un enlace covalente. Las moléculas de agua están en un enlace covalente, por lo que no pueden hacer esto.
Sí, creo que esto es correcto. Aunque, debido a que la energía cinética se distribuye aleatoriamente, algunas moléculas se mueven más rápido y se separan. Así es como se evapora el agua. Luego se enfrían, se juntan en nubes y caen como lluvia. Si calientas agua a 100 o C , se comportaría como el aire: no hay océanos en Venus.
Las moléculas de agua no están mutuamente en un enlace covalente. Esta discusión se debe mover al chat o se deben hacer nuevas preguntas, como por qué el agua en el océano es líquida. ¿Por qué el aire en la atmósfera es un gas?
En resumen: el enlace intermolecular en la fase líquida se debe principalmente a la fuerza de Van der Waals . Esta fuerza se desvanece a mayores distancias, por ejemplo, en la fase gaseosa. Mientras que el enlace covalente intramolecular es el mismo en la fase líquida y gaseosa, respectivamente.

Respuestas (3)

La incompresibilidad de los líquidos se debe a que están formados por átomos o moléculas de radio finito. Los átomos en un líquido están constantemente en contacto con sus vecinos, y aumentar la densidad requeriría que los átomos o las moléculas se superpusieran, lo que normalmente no ocurre muy fácilmente. como tal, los líquidos tienen una densidad esencialmente fija.

En un gas, los átomos/moléculas no están en contacto con sus vecinos, por lo que la densidad puede variar ampliamente a medida que aumenta o disminuye la distancia entre un átomo/molécula y sus vecinos.

No se requiere QM o GR aquí.

Gracias. ¿Puede decirme por qué la densidad del aire disminuye con la altura y se aleja del centro de masa? ¿Esa dirección no implica energía de estrés y flexión del espacio-tiempo?
@ÁrpádSzendrei Como señaló ACuriousMind, la densidad del aire que disminuye con la altura solo requiere gravedad clásica. Para que el gas esté en equilibrio, cualquier fuerza externa debe equilibrarse con una fuerza promedio proporcionada por un gradiente de presión. La gravedad es una fuerza externa, por lo que también debe haber un gradiente de presión para oponerse a ella, de modo que los constituyentes individuales del gas no sientan fuerza en promedio (la gravedad que los empuja hacia abajo se equilibra, en promedio, por el aumento de presión debajo de ellos). Una mayor presión en un gas significa una mayor densidad, por lo que la densidad aumenta a medida que desciende.
Gracias, creo que ahora entiendo por qué el aire no es igualmente denso. Está diciendo que la presión proporciona una fuerza de equilibrio contra la gravedad y que más abajo hay más presión para que pueda equilibrar más gravedad (energía de estrés más fuerte a medida que se acerca al centro de masa). Más alto, hay menos gravedad y menos presión puede equilibrarlo.
No exactamente. No necesariamente tiene que haber "más gravedad" en la parte inferior, sea lo que sea lo que se supone que signifique. Incluso si la gravedad fuera solo una fuerza constante que apunta hacia abajo (como generalmente se aproxima cerca de la superficie de la tierra), aún obtendría este comportamiento. De hecho, dado que la atmósfera es bastante delgada en comparación con el radio de la Tierra, la gravedad es básicamente constante en toda su longitud (solo varía un 2% en 150 km).
¿Puede explicar entonces por qué la dirección de más densidad es hacia abajo si no está involucrada una mayor flexión del espacio-tiempo (más cerca del centro de masa)? Entiendo que las moléculas de agua se mantienen unidas por fuerzas EM, por lo que las moléculas de agua están constantemente en un enlace covalente. Las moléculas de aire no están en un enlace covalente entre sí. Entonces, las moléculas de aire se mueven más libremente al azar y tratan de llenar todo el espacio que tienen. Ahora lo único que les impide volar es la gravedad.
Pero lo que no entiendo es, ¿por qué todas las moléculas de aire de arriba vienen más hacia abajo hasta llegar a un punto de densidad media?
La densidad más alta ocurre a alturas más bajas porque las diferencias de densidad (y, por lo tanto, las diferencias de presión) se oponen a la gravedad. Si hay una presión más alta en un lado de una pieza de gas que en el otro, entonces habrá una fuerza neta en esa pieza, simplemente debido a las presiones desiguales. Cuando el gas está en equilibrio, la fuerza neta en todas partes es cero, por lo que la fuerza generada por la diferencia de presión es igual a la fuerza gravitatoria. Para que la fuerza generada por la diferencia de presión apunte hacia arriba, la presión debe ser menos alta que cerca de la superficie.
OK entonces es la gravedad. A medida que nos acercamos al centro de masa, el espacio-tiempo se dobla más y el aire es más denso.
@ÁrpádSzendrei No. Como ya se explicó, la fuerza de la gravedad a 150 km sobre la superficie de la Tierra es el 98% de su fuerza en la superficie. La mayor parte de la atmósfera está dentro de los 50 km. La densidad del aire disminuye a medida que subes, principalmente porque hay menos aire encima de ti que lo empuja hacia abajo. También hay algún efecto sobre la densidad debido a la temperatura. El efecto de la fuerza gravitacional reducida es muy pequeño y puede ignorarse en una primera aproximación.

La fórmula barométrica que predice la curva de densidad de la atmósfera es una predicción de la dinámica de fluidos y la gravedad newtoniana clásica, no se requiere relatividad general.

La (in)compresibilidad de gases y fluidos está relacionada con la distancia promedio entre las moléculas de los gases en comparación con los fluidos, y la distancia en los fluidos es tan pequeña que la repulsión de las moléculas cuando intentas comprimirlas más es bastante fuerte, mientras que es bastante débil para la distancia "grande" en los gases. Esto está relacionado con la forma del potencial de Lennart-Jones, como explica John Rennie con un poco más de detalle aquí .

Gracias. ¿Tiene una explicación para esto: "¿Por qué todas las moléculas de aire no son atraídas hacia el centro hasta que ya no son más comprimibles? -"
@ÁrpádSzendrei Porque tienen energía cinética y momento angular, los cuales se conservan en un gas ideal (en el que todas las colisiones son elásticas).
@ÁrpádSzendrei Son atraídos hacia el centro (¡por eso el aire es más denso en las elevaciones más bajas!). La gravedad no hace excepciones para nada.
Bien, la razón por la que son gradualmente más densos hacia el centro de masa es que el espacio-tiempo se dobla gradualmente hacia el centro de masa. cuanto más doblado está el espacio-tiempo, más denso es el aire.
@ÁrpádSzendrei No, el espacio-tiempo "más doblado" ni siquiera significa nada. No se trata de espacio-tiempo. Esto es simple, vieja gravedad newtoniana: cuanto más cerca estás de la masa, más fuerte es la fuerza gravitatoria. Ya explica perfectamente el fenómeno, no hay necesidad de involucrar a GR cuando su aproximación newtoniana es perfectamente suficiente. Tenga cuidado con los peligros del reduccionismo: el hecho de que todo sea en última instancia QM y GR no significa que las explicaciones más perspicaces sean producidas por QM y GR.

Lo que no entiendo es, ¿por qué el aire no tiene una sola densidad promedio, por qué la densidad disminuye?

Aquí hay una analogía simple que puede ayudar a comprender por qué la densidad y la presión en la parte inferior de la atmósfera son mayores que en la parte superior.

Imagine un millón de resortes de compresión apilados uno encima del otro.

El resorte en la parte inferior se comprimirá mucho, porque tendrá que contrarrestar el peso del resto de los resortes que lo presionan desde la parte superior. El resorte en el medio se comprimirá a la mitad, ya que tendrá que contrarrestar el peso de la mitad de los resortes. El resorte en la parte superior no se comprimirá en absoluto.

Entonces podemos ver que incluso si la gravedad no cambia con la altitud y todos los resortes pesan lo mismo, la compresión de los resortes (y su densidad efectiva) aumentará linealmente de arriba hacia abajo.

Por supuesto, el grado (coeficiente) de la compresión dependerá de la relación entre el peso del resorte y la constante del resorte: cuanto mayor sea la relación, mayor será la compresión.

Algo similar sucede con el agua de los océanos y el aire de la atmósfera, es decir, podemos ver una columna de agua o aire como muchos cubos de agua o aire apilados unos encima de otros, el grado de su compresión (presión y densidad ) siendo una función de la relación de su peso y "constante de resorte" efectiva.

gracias. Creo entender. Y el agua es simplemente menos comprimible. Entonces, este efecto tiene menos dominio sobre el agua porque las moléculas de agua ya están más cerca, y la densidad aumentará ligeramente a medida que el peso de la capa superior empuje hacia abajo.
@ÁrpádSzendrei Lo tienes.
Densidad del océano vs densidad de la atmósfera
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