¿Por qué las moléculas de gas que vuelan no destruyen las cosas?

Las moléculas de gas van a una velocidad increíble, y aunque son minúsculas, hay MUCHAS de ellas. Por supuesto, debido a todas estas moléculas que se precipitan, hay presión de aire ; sin embargo, si imaginas muchas balas volando, en realidad no "aplican presión": rompen cosas . Entonces, ¿por qué estos minitorpedos no destruyen cosas?

Siento que la razón por la que no causan estragos es porque no están coordinados, es decir, son aleatorios. Además, es posible que las cosas no funcionen microscópicamente como lo hacen macroscópicamente.

Piensa en los momentos de las partículas de gas.
@ Chris2807 Sí, pero recuerda, al nivel del mar, el aire ejerce una tonelada de presión sobre tu cuerpo.
eso no es realmente relevante. La presión del aire es razonablemente uniforme, por lo que no hay fuerzas netas sobre los cuerpos en general. Si realmente desea comprender su pregunta, mire el impulso promedio para un gas distribuido de Boltzmann y el impulso de una bala.
Las balas no dolerían tanto si estuvieras hecho del mismo material que las balas. Estás hecho de la misma materia que el aire.
Todos sabemos que la presión del aire (de todas esas pequeñas colisiones) puede destruir cosas, pero para concretarlo, aquí hay una foto de un vagón de tren aplastado cuando se sacó el aire del interior: i.ytimg.com/vi/Zz95_VvTxZM/ hqpredeterminado.jpg
@jameslarge: Eh... ¿no? Ambas oraciones son incorrectas, o al menos engañosas. Una bala hecha de carne haría bastante daño a la carne, las balas hechas de metal hacen bastante daño a los objetivos hechos de metal, y la composición de un ser humano es bastante diferente de la composición del aire.
Hay materiales sólidos que pueden destruirse rápidamente por el impacto de las moléculas de aire a temperaturas ordinarias. Y por aquí, lo han sido.
@ Chris2807 Entonces... si las balas se dispararan teóricamente al azar en todas las direcciones... ¿simplemente aplicarían presión?
@hyperluminal jaja ese no es el punto que estaba diciendo. Decía que parte de la razón por la que no colapsamos bajo las fuerzas ejercidas por la presión del aire es porque internamente nuestros cuerpos tienen una presión similar ejercida hacia el exterior.
@ Chris2807 Entonces, disparar muchas balas al otro lado de la pared ejercerá una presión opuesta en el otro lado de la pared ... ¿y lo apoyará?
@HyperLuminal Si toma muestras de un área lo suficientemente grande de la pared, sí. Sin embargo, las balas tienen suficiente energía cinética para deformar la mayoría de las cosas, por lo que la pared eventualmente se derrumbaría. La diferencia entre los dos escenarios está perfectamente aclarada en la respuesta de Brionius.
@ user2357112 Estás hecho de moléculas que en su mayoría están hechas de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. El aire está hecho de moléculas que están compuestas principalmente de átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.
@ user2357112 Lo admito, mi analogía fue débil. Debería haber dicho, si estuvieras hecho de billones de billones de billones de balas indestructibles. La energía cinética de una molécula de aire es muy baja en comparación con la cantidad de energía necesaria para romper una molécula.
Esto también sería un increíble xkcd what-if :)
@RobAu Muy cierto. :)

Respuestas (5)

Cuando dices "por qué no se destruyen las cosas ", presumiblemente quieres decir "por qué no se rompen los enlaces químicos que mantienen unidos los objetos". Ahora, podemos determinar la energía que se necesita para romper un enlace, eso se llama "energía de enlace". Tomemos, por ejemplo, un enlace carbono-carbono, ya que es común en nuestros cuerpos.

La energía de enlace de un enlace carbono-carbono es 348 k j / metro o yo , lo que resulta 5.8 ⋅ 10 − 19 j por bono. Si una molécula de gas que impacta rompe este enlace, debe (en un escenario de colisión simplificado) tener al menos esa cantidad de energía para romper el enlace. Si la molécula promedio tiene tanta energía, podemos calcular cuál debe ser la temperatura del gas:

mi promedio = k T
T = 5.8 ⋅ 10 − 19 j 1.38 ⋅ 10 − 23 metro 2 k gramo s − 2 k − 1
T = 41 , 580 ° C

¡Eso es bastante caliente!

Ahora, incluso si la molécula promedio no tiene esa energía, algunas de las que se mueven más rápido podrían tenerla. Calculemos el porcentaje que tiene esa energía a temperatura ambiente usando la distribución de Boltzmann para energía de partículas:

F mi ( mi ) = 4 mi π ( k T ) 3 Exp ⁡ ( − mi k T )

La fracción de partículas con energía mayor o igual a esa cantidad debe estar dada por esta integral:

pags ( mi ≥ mi 0 ) = ∫ mi 0 ∞ F mi ( mi ) d mi

En nuestra situación, mi 0 = 5.8 ⋅ 10 − 19 j , y esta expresión da pags ( mi ≥ mi 0 ) = 1.9 ⋅ 10 − 61 .

Entonces, la fracción de moléculas a temperatura ambiente con suficiente energía cinética para romper un enlace carbono-carbono es 1.9 ⋅ 10 − 61 , un número asombrosamente pequeño. Para poner eso en perspectiva, si llenaras una esfera del tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del sol con gas en STP, necesitarías alrededor de 16 de esas esferas para esperar tener incluso una partícula de gas con esa cantidad de energía.

Es por eso que estos "torpedos" no destruyen cosas en general: ¡no se mueven lo suficientemente rápido a temperatura ambiente para romper los enlaces químicos!

Pero, ¿no es esta fuerza de unión mucho más fuerte que la débil fuerza intermolecular que mantiene unidas a muchas sustancias? Si corto algo blando, normalmente no estoy cortando enlaces fuertes, sino enlaces intermoleculares más débiles. Entonces, ¿esto todavía contaría como destruir algo, si una molécula de aire pudiera romper una molécula completa de una estructura más grande?
Sí, pero incluso las fuerzas intermoleculares son lo suficientemente fuertes como para resistir la mayoría de las colisiones con las moléculas de aire. Quiero decir, no sé los números de antemano, pero debe funcionar de esa manera, de lo contrario los objetos como los conocemos no existirían ;-) Así que tal vez solo necesites una esfera de aire del tamaño de, no sabe, la luna para hacer que una molécula de aire se mueva lo suficientemente rápido como para romper un enlace intermolecular, en lugar de 16 esferas del tamaño de la órbita terrestre. Y además, romper una molécula de algo difícilmente cuenta como destruirlo.
@DavidZ Sin mencionar que muchos de estos casos probablemente simplemente harían que la molécula separada se adhiriera cerca; aún tendería a minimizar la energía total del sistema.
@Brionius Increíble respuesta. Ahora tengo algunas preguntas de seguimiento: ¿Por qué aplican tanta presión (14,7 pascales al nivel del mar) entonces? Supongo que no rompen cosas, pero esto es mucha presión. ¿Viene de la gravedad tirando del aire hacia abajo, o es de su velocidad? ¿Y podría explicar más en profundidad sobre esa ecuación de cuánta energía necesita para romper un enlace carbono-carbono?
@HyperLuminal, incluso una taza llena de aire a temperatura ambiente contiene alrededor de mil millones de billones de moléculas de gas ; las colisiones que componen la presión son pequeñas pero increíblemente frecuentes. En cuanto a su pregunta sobre si la presión se origina en la gravedad o la velocidad, la respuesta es "ambos y ninguno". Es mejor tratarlo como otra pregunta por completo.
@hobbs ¿De dónde viene entonces?
"¿De dónde viene la presión del aire?" es realmente una pregunta separada que no debe responderse en un hilo de comentarios; escriba otra pregunta y estoy seguro de que será respondida.

Las cosas realmente se destruyen por lo que esas moléculas de aire recogen y arrojan.

Mira este ejemploroca

[imagen de aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Arbol_de_Piedra.jpg ]

Al igual que sus hermanos de mayor tamaño, es la carga de esos mini-torpedos lo que trae la destrucción.

Estos son destruidos por rocas microscópicas que vuelan, no por las moléculas de gas en sí.
@MooingDuck Dijo exactamente eso
@MauganRa: Pero el OP no preguntó eso.
Más concretamente, está hablando del movimiento del gas cuando se asienta en el interior de un espacio cerrado. Este es aire al que se le ha impartido energía cinética adicional por los fenómenos que causan el viento.
@Schilcote No estoy seguro de que se trate de estar en un espacio cerrado per se , pero la pregunta ciertamente es sobre los efectos causados ​​​​por el movimiento aleatorio de las moléculas individuales, no los efectos causados ​​​​por el movimiento masivo del gas recogiendo trozos de roca.
@Nombre Lo que dijo el pato mugido. Eso no se aplica.
@MauganRa Dije gasolina, no rocas.
@HyperLuminal usas el símil de las moléculas de gas y las balas en tu pregunta para ilustrar que no se comportan de la misma manera (causan la misma destrucción), pero te niegas a considerar que las pequeñas rocas y las moléculas de gas de mi respuesta son comparables de ninguna manera. . Al cuestionar mi símil (o más bien la realidad), también está disputando el de su pregunta. Si las moléculas de gas no son pequeñas rocas, tampoco son pequeñas balas. QED
Pero las moléculas de gas tienen suficiente energía para mover rocas pequeñas que dañarán rocas más grandes. Claro, las moléculas de gas en sí mismas no están causando la destrucción (que ES lo que preguntaba el OP), pero lo hacen de manera indirecta. Sigo pensando que esta respuesta es útil.
@Nombre Si desea cuestionar la premisa de la pregunta, utilice un comentario. Las respuestas son para las respuestas.
@Paddling Ghost Señalaré un error que cometiste. Aunque parece lógico que sea el aire el que proporciona el poder para hacer volar las rocas, en realidad NO lo es. Incluso en el aire STILL, las moléculas de gas viajan a velocidades increíbles. Sus colisiones es lo que efectivamente los niega y equilibra su fuerza para proporcionar una presión constante. La fuerza que levanta las rocas por el contrario es el VIENTO. Mi pregunta era por qué no somos hechos pedazos por la fuerza de las moléculas en STILL AIR. ¿Me aclaré?

De hecho, lo hacen!!

Mire lo que le sucede a un cubo de hielo que se deja en el aire... billones de partículas de su exterior son arrancadas de su disposición estable, y pronto caen en cascada por los lados, ¡una cascada microscópica!

Entonces, en este caso, tiene razón, pero es solo la superficie exterior de un objeto la que está expuesta al aire y, por lo tanto, se ve afectada por él.

Recuerde que las sustancias que ya están a temperatura ambiente están compuestas de partículas diminutas que se mueven a velocidades muy altas. Si esto no es suficiente para desgarrar la sustancia, el aire no servirá de mucho.

Dicho esto, sospecho que cuando uno corta un objeto, las moléculas de aire, de hecho, abren agujeros en los diminutos picos y riscos de la superficie recién expuesta, hasta que se derriban y alisan, pero esto probablemente ocurriría en milisegundos después de ser expuesto al aire. Me pregunto si hacer esto en el vacío o en un medio más viscoso como el aceite cambiaría los efectos.

Incorrecto. Los cubitos de hielo se derriten por el calor. Si coloca un cubo de hielo a temperaturas bajo cero, permanecerá intacto aunque las moléculas de gas aún viajen a velocidades extremadamente altas. Además, si solo se expone el exterior, deberíamos esperar que todo comience a desgastarse y destruirse a nuestro alrededor según su lógica.
"Los cubitos de hielo se derriten por el calor". Bueno, se derriten debido a la transferencia de calor . Un mecanismo de transferencia de calor es la conducción. Y en el caso de un cubo de hielo (que es bastante denso en comparación con el aire), la conducción se visualiza bastante bien como una nube de balas que zumban y chocan contra una pared de ladrillos magnéticos que vibran, dejándolos fuera de lugar y haciéndolos vibrar más. violentamente hasta que empiezan a poder alejarse bastante de su posición original. ¡El nacimiento de un líquido!
"Si coloca un cubo de hielo a temperaturas bajo cero", entonces las moléculas de gas siguen viajando muy rápido, pero no tan rápido como a temperatura ambiente. A una velocidad determinada, las balas hacen menos daño cuanto más ligeras son, y las moléculas de gas son MUY ligeras. Por debajo del punto de congelación, el daño causado no es suficiente para provocar el derretimiento. También tenga en cuenta que por encima del punto de congelación, la temperatura del gas afecta la velocidad de fusión, por lo que, como se esperaba, cuanto más rápido viajan las "balas", más "daño" ocurre.
"si solo se expone el exterior, debemos esperar que todo comience a desgastarse y destruirse a nuestro alrededor" - ¡Nunca sugerí eso! De hecho, el punto de mi publicación es que la analogía de las "balas aplastantes" funciona bien en ciertas circunstancias , como cuando el objeto en cuestión está más frío que el aire. Tenía la intención de que esto fuera un trampolín para comprender por qué el aire no convierte todos los objetos en polvo. Me refiero a eso en mi segundo y último párrafo.
Entonces, ¿por qué el agua, con una atracción tan alta entre sí, se derrite, cuando otras cosas frías no lo hacen?
El agua tiene una alta capacidad calorífica (se debe agregar mucha energía térmica para elevar la temperatura en 1 grado). Toda esta energía debe ir a alguna parte; en lugar de hacer que las moléculas de agua vuelen más rápido, gran parte se dedica a superar las fuerzas dipolares que mantienen unidas las moléculas de agua. Es importante darse cuenta de que los puntos de fusión y ebullición, aunque parezcan simples, están determinados por interacciones muy complejas a escala molecular. Se ven afectados por cosas simples como la masa molecular, así como cosas complejas como la estructura cristalina, la forma molecular, los enlaces direccionales, las impurezas, etc.

Brionius tiene la respuesta correcta, pero hay más que decir. El agua a temperatura ambiente en el aire se evaporará lentamente. El agua a temperatura ambiente en el vacío hervirá, como se muestra aquí . Entonces estos mini torpedos pueden prevenir daños a los enlaces químicos.

Las moléculas de agua son polares. Los O están un poco cargados negativamente. Las H son un poco positivas. Las H y las O se atraen entre sí. Las moléculas de agua son pegajosas.

Así es como se forma el hielo. Las moléculas se organizan de modo que los H y los O estén cerca uno del otro y formen enlaces relativamente débiles. Las moléculas están vibrando a velocidades insanas. Pero a bajas temperaturas, no lo suficiente como para romper los enlaces.

A temperaturas más altas, la velocidad de las moléculas más rápidas es suficiente para romper los enlaces. El hielo se derrite. En el agua líquida, las moléculas cercanas todavía tienden a organizarse de modo que los H y los O estén cerca uno del otro. Esto mantiene el agua unida como un líquido.

El aire alrededor del agua también ayuda. Algunas de las moléculas más rápidas tienen suficiente energía para separarse por completo. Lo harían, excepto que chocan rápidamente con las moléculas de aire. Esto ayuda a mantener el líquido unido.

La temperatura y la presión determinan exactamente qué tan bien se adhieren las moléculas de agua. En algunos casos, el agua pasa directamente de sólido a gas. Si la presión es alta, el agua permanece líquida incluso a temperaturas de cientos de grados. Esto sucede en el fondo del océano en los respiraderos hidrotermales volcánicos .

Este diagrama de fase muestra el comportamiento en diferentes regiones.

diagrama de fases

Básicamente, como dije antes, ¿verdad? Dije que en lugar de un impacto concentrado, es una presión dispersa.
Si y no. Si estás hablando de un área extendida, sí. Si está hablando de evitar que las moléculas individuales se evaporen, los impactos individuales las retienen. Pero tienes razón en que las balas son una analogía demasiado contundente para eso.

Otra forma de ver esto es que las cosas que serían destruidas por el medio ambiente probablemente ya hayan sido destruidas, a menos que las atrapes justo en el momento en que están siendo destruidas. Las cosas que ves a tu alrededor son aquellas en las que la energía de enlace era lo suficientemente alta como para sobrevivir.

Para tomar una analogía, considere la diferencia entre cometas y asteroides. Los cometas pasan la mayor parte de su tiempo lejos del sol, por lo que es más probable que contengan material que se descompondría si se acercara al sol, lo que daría como resultado la cola del cometa. Los asteroides, por otro lado, se mantienen a una distancia más constante del sol, por lo que cualquier material que pudieran haber tenido una vez que fuera susceptible de descomponerse hace mucho tiempo que desapareció. Decimos que los cometas son "volátiles", pero es solo una cuestión de grado; los asteroides también se descompondrían si se acercaran mucho más al sol.

O, otra analogía, sería como subir a una montaña alta y preguntar por qué los animales allí pueden sobrevivir a las bajas temperaturas y al aire enrarecido. Esos animales están ahí porque son capaces de sobrevivir a las condiciones.

Por lo tanto, hay muchos materiales que serían destruidos por el aire a temperatura ambiente. Es poco probable que los encuentre porque lo más probable es que ya estén destruidos.

¿Significa esto que todo lo que está en contacto con el aire tiene una alta energía de enlace?
¿Por qué las moléculas de gas que vuelan no destruyen las cosas?
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