¿Por qué el aire no se congela?

El aire está compuesto por varios gases diferentes, pero los más importantes son el nitrógeno y el oxígeno . Dado que estos componentes tienen puntos de fusión muy bajos, no verá que el aire se congele en el corto plazo en la Tierra, pero por otro lado, el nitrógeno líquido se produce de forma rutinaria para todo tipo de propósitos (como para que los estudiantes de física jueguen durante el aburrido trabajo de laboratorio). ).

La pregunta ahora se reduce a por qué el nitrógeno y el oxígeno están presentes en forma gaseosa a las temperaturas a las que estamos acostumbrados y por qué tienen puntos de fusión tan bajos.

Para responder a la primera pregunta, la temperatura en la Tierra es la que es gracias a la luz del Sol que nos calienta, al propio calor geotérmico de la Tierra, pero también a las propiedades de efecto invernadero de muchos gases en nuestro aire. (Así que el aire tiene una "mano" para calentarse si quieres. :p)

Para el segundo, los puntos de fusión del nitrógeno y el oxígeno son tan bajos porque las moléculas que forman estos gases son muy pequeñas y están unidas de forma suelta. Se necesita poca energía para excitarlos, por lo tanto, a "temperatura ambiente" son extremadamente móviles y básicamente se mueven en línea recta hasta que chocan entre sí o con cualquier otra cosa. El comportamiento característico de las moléculas en líquidos y sólidos es mucho menos móvil.

A la presión normal, el 99,9% del aire (nitrógeno, oxígeno y argón) se solidificará en 55K (donde lo hace el oxígeno). Por debajo de unos 15 K, también el hidrógeno (0,000524 % del aire normalizado) se solidifica dejando solo helio, que será líquido hasta 0 K (pero se convertirá en un superfluido alrededor de 2,17 K).

El aire se congela solo a temperaturas y presiones que no solemos experimentar.

Existe toda una industria en torno a la producción y destilación de aire líquido. Tomas aire y lo comprimes. Como resultado, el aire aumenta de temperatura; se deja enfriar el aire. Luego, el aire se expande al ventilarlo en una nueva cámara. El resultado es un gas mucho más frío.

A través de ciclos de compresión, enfriamiento y venteo podemos lograr que el aire se condense en un líquido.

Si luego se coloca nitrógeno líquido en una cámara de vacío, se congelará.

Hay un pequeño rastro de helio en el aire, alrededor de 5 partes en un millón. La presión no es lo suficientemente alta como para que se congele sin importar el frío que haga.

El estado (sólido, líquido o gas) de una sustancia depende de la fuerza de los enlaces hechos entre las moléculas de la sustancia y la energía cinética (térmica) de las moléculas.

Para romper un enlace entre moléculas se requiere energía y cuanto más fuerte es el enlace, más energía se requiere para romper el enlace.

Para los gases que componen el aire, la energía cinética que tienen las moléculas es fácilmente suficiente para suministrar suficiente energía para romper cualquier enlace entre las moléculas.

Si se baja la temperatura, la energía cinética de las moléculas disminuye y, por debajo de cierta temperatura, la energía cinética no es suficiente para romper suficientes enlaces entre las moléculas para evitar que permanezcan juntas en estado líquido, o incluso a una temperatura más baja en estado sólido.

Entonces, la respuesta a su pregunta es que el Sol mantiene la temperatura del aire a una temperatura lo suficientemente alta como para que las colisiones entre las moléculas no den como resultado un enlace permanente entre las moléculas.
Vaya más lejos del Sol, donde la temperatura de la superficie de las plantas es más baja y los gases se vuelven líquidos e incluso sólidos.

De todos los gases en la atmósfera, el dióxido de carbono tiene una temperatura de congelación (sublimación) relativamente alta en$-78.5\, ^\circ \rm C$y la temperatura más baja registrada es$-78.5\, ^\circ \rm C$en la Antártida existe la posibilidad de que el dióxido de carbono se congele.
Sin embargo, como señala este artículo , es poco probable que eso suceda porque hay otros factores involucrados.

Dado que los puntos de ebullición y los puntos de congelación tienden a disminuir a medida que disminuye la masa molecular, un hecho asombroso es que el agua existe en su forma líquida y sólida en la Tierra.
Entonces, realmente este es un ejemplo del efecto opuesto al mencionado en su pregunta.

Sulfuro de hidrógeno$\rm H_2S$es un gas a temperatura ambiente y, sin embargo, la molécula de agua más ligera$\rm H_2O$puede existir como un líquido a tal temperatura.

Esto ilustra la importancia de la fuerza de los enlaces entre las moléculas.
Las moléculas de agua tienen un gran momento dipolar (distribución de carga asimétrica) que da como resultado un enlace (de hidrógeno) relativamente mucho más fuerte entre las moléculas de agua en comparación con las moléculas de sulfuro de hidrógeno.
Por lo tanto, se necesita más agitación térmica (correspondiente a una temperatura más alta) para romper los enlaces entre las moléculas de agua que entre las moléculas de sulfuro de hidrógeno.

El aire no es una sustancia pura. Solo dos gases en una atmósfera pueden congelarse en condiciones de frío extremo. Los gases son vapor de agua (lluvia, nieve y aguanieve) y dióxido de carbono. No he oído hablar de la sublimación de CO2 ~ -79C. Las temperaturas han sido lo suficientemente frías (~ -90C) pero la altitud es más alta que el nivel del mar, por lo que no estoy seguro de que esto haya sucedido alguna vez en la historia registrada. Los otros gases se congelan o llueven a temperaturas mucho más bajas. Estos gases incluyen los elementos oxígeno, nitrógeno, argón, xenón, hidrógeno, helio y neón.