¿Podemos teóricamente guiar el aire frío desde gran altura hacia las ciudades necesitadas como aire acondicionado gratuito?

Lo creas o no, el aire en el fondo del tubo estaría tan caliente como el aire a la misma altura fuera del tubo. En el aire que está bien mezclado, la temperatura disminuye a medida que sube a una velocidad llamada tasa de caída adiabática. Un paquete de aire desplazado hacia arriba se expande debido a la presión más baja y se enfría adiabáticamente mientras lo hace. De manera similar, el desplazamiento hacia abajo de una porción de aire hace que aumente su temperatura. Si tuviera aire fluyendo en su tubo gigante, su temperatura aumentaría durante el viaje hacia abajo solo por el aumento de la presión, y en lugar de una brisa refrescante saliendo del fondo, tendría más aire caliente. Si la atmósfera no está bien mezclada, sino estratificada de manera estable, lo que significa que la temperatura disminuye con la altura más lentamente, el aire que sale del fondo del tubo sería aún más caliente.

Para un cambio adiabático en la presión (adiabático significa que no se agrega ni elimina calor del gas)$P^{1-\gamma}T^\gamma$permanece constante durante el proceso, donde$P$es presión,$T$es la temperatura (en Kelvin) y$\gamma$es la relación de calores específicos ($\frac{7}{5}$para aire). Esto significa que si aumenta la presión de una porción de aire por un factor de 2 (digamos de media atmósfera a 1 atmósfera), cambia la temperatura por un factor de$2^{2/7}$, o$1.219$. Entonces, si el aire a media atmósfera tiene una temperatura de congelación (273 K), luego de la presurización a una atmósfera, la temperatura será de aproximadamente 333 K. Eso es 60 C o 140 F: bastante caliente.

Supongo que aquí, pero creo que la temperatura en todo el tubo caería con el tiempo siempre que el aislamiento fuera lo suficientemente efectivo como para evitar que el calor exterior calentara el contenido de los tubos más rápido de lo que la entrada de aire frío en la parte superior pudo enfriarlo.

Si invirtió todo el sistema y cerró el extremo en la parte superior, dejó la parte inferior abierta y colocó una antorcha debajo, creo que calentaría el aire interior de arriba a abajo, suponiendo un buen aislamiento. Un globo aerostático vuela de esa manera usando quemadores para calentar el aire que sube al globo a través de un agujero abierto en el fondo pero que no puede escapar una vez dentro. El aire caliente es menos denso, por lo que sube a la parte superior del globo y se acumula. Se puede ventilar abriendo el 'puerto de desinflado' en la parte superior del globo, pero eso solo se usa cerca del suelo para obligar al globo a asentarse rápida y sólidamente en el suelo para que los vientos cruzados no lo vuelen hacia los lados.

La presión atmosférica es causada por el peso del aire debido a la gravedad. Dado que el aire dentro del tubo sería más frío, también sería más pesado y, por lo tanto, la presión en el interior sería más alta que la presión en el exterior, por lo que el tubo intentaría expandirse si estuviera hecho de un material flexible. Sin embargo, todo el conjunto tendría que estar sostenido, a menos que estuviera hecho de un material rígido muy fuerte como un súper rascacielos, tendría que estar sostenido desde la parte superior. Creo que la única forma teóricamente posible actualmente sería con cables de nanotubos de carbono conectados a un satélite en órbita de suficiente masa y velocidad para crear la fuerza centrífuga necesaria para compensar el peso del tubo. Esa es la base para un ascensor de la superficie terrestre al espacio, pero aún no se ha hecho.

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator

Ahora que lo pienso, uno de los problemas con el ascensor espacial teórico es desarrollar el mecanismo que interactúa con los cables de nanotubos para trepar por el cable con una carga útil. Estaban hablando de un sistema de tipo rodillo similar a un escurridor de ropa que haría girar los rodillos e impulsaría el mecanismo con una carga útil hacia arriba, pero los rodillos tendrían que girar con alguna forma de energía hasta que llegara al nivel de la órbita geosincrónica. Eso es mucha energía. Si tuviera una matriz de cables de nanotubos que sostuviera el tubo con aire sobreenfriado en el interior, podría fabricar un globo alto y delgado con helio dentro del tubo y el aire frío crearía una sustentación sustancialmente mayor, lo que permitiría una carga útil más pesada aunque las limitaciones de altitud probablemente aún ser sustancial a menos que pudiera bombear aire frío hacia arriba y luego dentro del tubo. En lugar de un techo de 120,000 pies o cualquiera que sea el récord actual, es posible que pueda extenderlo en múltiplos sustanciales, pero se necesitaría energía para bombear el aire más allá de la atmósfera exterior. Sin embargo, todavía sería un viaje gratis durante la primera parte del viaje. Teóricamente, supongo que podría bombear aire hacia arriba y dentro del tubo hasta la órbita geosincrónica sin energía adicional. Sin embargo, a altitudes tan altas, hay mucha energía solar disponible para hacer funcionar los paneles solares y proporcionar la electricidad necesaria para impulsar las bombas de elevación de aire. Tal vez otra forma de llevar una carga útil al espacio sin costos excesivos de energía. Sin embargo, todavía sería un viaje gratis durante la primera parte del viaje. Teóricamente, supongo que podría bombear aire hacia arriba y dentro del tubo hasta la órbita geosincrónica sin energía adicional. Sin embargo, a altitudes tan altas, hay mucha energía solar disponible para hacer funcionar los paneles solares y proporcionar la electricidad necesaria para impulsar las bombas de elevación de aire. Tal vez otra forma de llevar una carga útil al espacio sin costos excesivos de energía. Sin embargo, todavía sería un viaje gratis durante la primera parte del viaje. Teóricamente, supongo que podría bombear aire hacia arriba y dentro del tubo hasta la órbita geosincrónica sin energía adicional. Sin embargo, a altitudes tan altas, hay mucha energía solar disponible para hacer funcionar los paneles solares y proporcionar la electricidad necesaria para impulsar las bombas de elevación de aire. Tal vez otra forma de llevar una carga útil al espacio sin costos excesivos de energía.

Ampliando eso, tal vez solo haga el tubo con nanotubos o láminas de grafeno. Dado que es tan fuerte de todos modos, ayudaría a contener el tremendo aumento de la presión del aire contra las paredes internas del tubo a altitudes más bajas debido a la enorme columna de temperatura del aire cercana al cero absoluto contenida en el interior.

Esto dependería de los detalles.

¿Está tan bien aislado el tubo que no hay transferencia de calor a través de sus paredes y el gas del interior no absorbe energía de la radiación electromagnética debida al sol y la atmósfera que lo rodea? Entonces sí, el aire interior puede volverse más frío que el aire exterior. Esto lo haría más denso y, por lo tanto, la columna de aire dentro del tubo sería más pesada de lo que podría soportar la presión a nivel del suelo. El aire en el tubo comenzará a moverse hacia abajo, en la parte inferior será expulsado al suelo, donde se calentará y volverá a subir. El tubo crearía una perturbación local en la troposfera, un patrón climático local.

Si el aislamiento del tubo es malo, el estado del aire interior se verá influido en gran medida por el estado del aire exterior, y no será muy diferente al exterior. Podrían ocurrir movimientos ocasionales en ambas direcciones, tal como ocurre en la atmósfera durante el transcurso del día.

EDITAR

Lo que Ben51 está describiendo es un caso ficticio idealizado en el que el aire que sube solo pierde energía al hacer trabajo en el otro aire, no puede ocurrir transferencia de calor al resto de la atmósfera. En ese caso, si el aire volviera a bajar, recuperaría su temperatura original en el suelo. En realidad, un aire caliente seco perderá más energía que eso debido a la transferencia de calor y la radiación térmica. En algún momento, volverá a bajar una cantidad similar de aire, solo que más frío.

La convección "aire caliente hacia arriba, aire frío hacia abajo" ocurrirá incluso sin la tubería. La atmósfera superior es una especie de enfriador del aire de allí y también del aire que se encuentra debajo. La tubería solo puede hacer que la convección sea más predecible y tal vez hacer que el aire sea un poco más frío en la parte inferior. En realidad, también hay vapor de agua y su cambio de fase en la troposfera superior, donde el aire es lo suficientemente frío, como señaló Whit3rd. Este cambio elimina el agua del aire y libera mucho calor. Parte de este calor regresa al aire frío y esto hace que las cosas para el aire húmedo sean más complicadas y menos predecibles: el "clima".

No, la densidad es diferente, la presión cerca de la superficie es mayor.

Para lograr el proceso, uno podría considerar comprimir el aire en una bola más densa. es decir, utilice alguna burbuja de evaporación con alta tensión superficial para atrapar temporalmente el aire y comprimir o arrastrar el aire por su propio peso hacia abajo.

Necesitas una mayor densidad.