¿Las partículas de aire "vuelan"? Si no, ¿cómo se mantienen a flote? [duplicar]

Enumeraré sus preguntas y las responderé una por una.

1. ¿Qué pasa si las partículas de aire dejan de moverse por completo un día?

Este escenario es lo que sucede cuando la temperatura es muy baja. Para realmente ningún movimiento, necesitaría una temperatura cero absoluta. Pero mucho antes de llegar al cero absoluto se llega a otro caso: el gas se vuelve líquido y luego, cuando está aún más frío, a sólido (excepto en casos especiales como el helio). La formación de un líquido generalmente involucra las fuerzas de atracción entre las moléculas, pero incluso si no hubiera fuerzas de atracción, el gas eventualmente formaría un tipo de líquido. Luego se quedaría en una gran piscina en el suelo (mientras todos morimos por falta de oxígeno).

2. ¿Se hundirán todas las partículas de aire en el suelo? (tirado por la gravedad)

sí, ver respuesta anterior.

3. De ahí la pregunta: ¿cómo se "mantienen a flote" las partículas de aire en primer lugar?

Se mantienen a flote a través de colisiones. De hecho, todas las partículas caen debido a la gravedad, pero también chocan entre sí. Podría suponer que después de un tiempo, en promedio, se hundirían más y más, pero lo que sucede en cambio es que hay más partículas, es decir, una mayor densidad, en la parte inferior que en la parte superior. Y los que están en el fondo no se hunden más porque rebotan en el suelo. Si se pegaran al suelo, toda la atmósfera caería y caería hasta quedar pegada al suelo. Pero rebotan y, por lo tanto, proporcionan una capa de gas cerca del suelo. Luego, esta capa sostiene a la que está encima, debido a las colisiones: las partículas que llegan desde arriba vuelven a rebotar. Y esa capa a su vez soporta la que está encima. Etcétera.

Entonces, toda la atmósfera es dinámica: entre colisiones, cada partícula tiene una aceleración hacia abajo. Durante las colisiones, las dos partículas rebotan entre sí. Hay una mayor densidad más abajo, lo que da como resultado más colisiones dirigidas hacia arriba para una partícula que se mueve hacia abajo que para una que se mueve hacia arriba.

Todo esto se puede capturar con precisión en ecuaciones, pero supuse que preferías la imagen en palabras.

3B. Pero, ¿qué pasaría si las moléculas en el aire no chocaran entre sí, solo con el suelo? ¿Se derrumbaría entonces la atmósfera?

Este es un párrafo adicional sugerido por algunos comentarios útiles de nanoman. Señala que en el escenario en el que las moléculas no colisionan entre sí, todavía volarían alto en la atmósfera después de rebotar en el suelo, siguiendo enormes parábolas de unos 10 kilómetros de altura, y en general la distribución de densidad seguiría siendo la misma. ! En este caso, la atmósfera se adelgaza a medida que asciendes porque hay menos moléculas con suficiente energía para llegar tan alto. La discusión anterior en términos de capas es apropiada para la atmósfera real porque, en promedio, las moléculas solo viajan distancias pequeñas (menos de una micra) antes de chocar.

PD: Me gustaría agregar que la palabra 'rebote' no es del todo correcta para lo que sucede cuando las moléculas de aire golpean el suelo. De hecho, en su mayoría llegan y se mantienen durante un tiempo muy corto llamado "tiempo de permanencia", y luego son pateados o sacudidos y se alejan en una dirección aleatoria. La energía de las moléculas que salen de este proceso es en promedio igual a la energía de equilibrio térmico con la que llegaron. Entonces, después de promediar a lo largo del tiempo, el efecto neto es como un rebote.

Se mantienen separados porque se están moviendo. Una velocidad típica para una molécula de aire en la atmósfera sería de 450 metros por segundo (bastante más rápido que la velocidad del sonido). Cuando chocan entre sí, rebotan entre sí.

¿Cómo sabemos que las moléculas se están moviendo? Supongamos que bombeamos un poco de aire en un recipiente cerrado. Podemos detectar que el aire atrapado ejerce una presión en el interior del contenedor. Esto es exactamente lo que sucedería si las moléculas que se mueven rápidamente lo golpearan continuamente. Pero, se podría decir, podría haber otras causas de la presión. Se necesitan mejores pruebas del movimiento de las moléculas. Tal evidencia sería el movimiento browniano , en este caso el movimiento oscilante observado de partículas (como granos de polen) lo suficientemente grandes como para verse bajo un microscopio, en el aire. [Las moléculas del aire son demasiado pequeñas para verlas con un microscopio, pero empujan a las partículas más grandes que podemos ver ].

¿Qué hace que las moléculas de aire se muevan así? Lo hacen de forma natural. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que la temperatura es una medida de qué tan rápido se mueven las moléculas de gas, o para ser más exactos, de la energía cinética media de las moléculas. Y esto es sostenido por la energía irradiada por el Sol. Si la temperatura descendiera mucho, muy bajo, las moléculas casi dejarían de moverse y se amontonarían en el suelo. [Por supuesto que tendría lugar la licuefacción, pero esa es otra historia.]

El punto de @Steeven sobre que no hay suficiente espacio en el suelo también se puede describir en términos de que no hay suficientes estados de energía cerca del suelo. Para tomar otro ejemplo familiar, cuando llenas una bañera, el agua se "apila"; algunas moléculas van al fondo, así que ve por encima de ellas y tendrás un poco más de GPE, y así sucesivamente. (Si desarrolla esta idea aún más, con energía en general en lugar de altitud, llega a los niveles de Fermi para partículas en un potencial electrostático adecuado).

La probabilidad de ocupación en energía$E$es proporcional a$\exp(-\beta E)$, con$\beta$la beta termodinámica . la aproximación$E\approx mgh$para masa-$m$partículas hace que este factor$\exp(-\beta mgh)$, por lo que el aire se adelgaza exponencialmente con la escala de longitud$\frac{1}{\beta mg}=\frac{k_BT}{mg}$, que funciona a unos pocos kilómetros. Esta es la razón por la que la presión del aire es más baja en la cima de una montaña. Como era de esperar, esto hace que el dióxido de carbono se diluya más rápido (es decir, con una escala de longitud más corta) que el argón, que se diluye más rápido que el oxígeno, que se diluye más rápido que el nitrógeno.

En resumen, las moléculas de aire se mantienen a flote porque rebotan en el suelo y en otras moléculas de aire. Aquí hay un video que visualiza eso con una simulación simple basada completamente en principios cinemáticos: https://www.youtube.com/watch?v=vwk4mSFFop0

Lo que parece no haberse mencionado en las otras respuestas es que las moléculas de aire caen al suelo: el aire en altitudes más altas es más diluido y más frío, lo que es el reflejo de la compensación entre la energía cinética y potencial de las moléculas (entendiendo que la energía cinética promedio de las moléculas es la temperatura, y que solo las moléculas de alta energía logran escalar muy alto).

Actualización
Para ampliar un poco en vista de la discusión que siguió:
La fórmula barométrica predice que la presión atmosférica disminuye con la altitud. La fórmula se obtiene asumiendo que la atmósfera está en equilibrio, es decir, se puede caracterizar por temperatura de Boltzmann y distribución constante ( atmósfera isotérmica ), de modo que la energía promedio de cada molécula es

En realidad, la atmósfera no está a temperatura constante ni en equilibrio térmico: el fondo de la atmósfera está a una temperatura más alta que sus capas superiores, y el aire caliente sube constantemente, mientras que el aire frío "cae". Dentro del enfoque hidrostático, esto se modela como una atmósfera adiabática , lo que da como resultado la ecuación para la variación de temperatura con la altitud, consulte Tasa de intervalo . Hay una buena discusión sobre la atmósfera adiabática en este hilo .