Transporte de energía en estrellas

La transferencia de calor se puede lograr por conducción, convección y radiación. La conducción no es más o menos un factor con respecto a la transferencia de calor en las estrellas, dejando la convección y la radiación. Cuál de los dos domina sobre el otro depende del gradiente de temperatura, la aceleración gravitacional, la capacidad calorífica y la opacidad.

Un paquete de gas más caliente que el gas circundante se elevará temporalmente debido a la flotabilidad. Tal paquete ascendente de gas se enfría más o menos adiabáticamente a medida que asciende. Un gradiente de temperatura bajo significa que un paquete cálido ascendente rápidamente se vuelve más frío que el gas circundante; el paquete vuelve a caer cerca de donde comenzó. La convección no puede ocurrir si el gradiente de temperatura es menor que la tasa de variación adiabática. La convección puede ocurrir si el gradiente de temperatura es mayor que la tasa de caída adiabática, y si la convección puede ocurrir, ocurrirá y dominará la transferencia radiativa.

La tasa de fusión es tan baja en estrellas pequeñas que incluso el núcleo es convectivo. Las estrellas pequeñas son levemente convectivas en todas partes. El ciclo CNO extremadamente sensible a la temperatura domina sobre la cadena pp en estrellas muy masivas. Esto hace que esas estrellas tan grandes tengan un núcleo convectivo. Las grandes capas exteriores de esas estrellas muy grandes dan como resultado un gradiente de baja temperatura fuera del núcleo, lo que inhabilita la convección fuera del núcleo. Las estrellas de tamaño mediano, entre aproximadamente 2/3 y 3/2 masas solares, tienen un gradiente de temperatura bajo en sus núcleos, lo que hace que sus núcleos no puedan sostener la convección. Las capas exteriores de esas estrellas de tamaño mediano tienen un gradiente de temperatura que es lo suficientemente grande como para sostener la convección.

la convección es eficiente en esa parte de una estrella porque la radiación, que de otro modo podría esperarse que fuera el modo dominante de transferencia de calor, es ineficiente dentro de una estrella por la siguiente razón: debido a su temperatura, el interior de una estrella es opaco para la mayoría. fotones Se dispersan eficientemente de las partículas cargadas y, por lo tanto, tienen caminos libres medios muy cortos dentro de una estrella. Por lo tanto, la convección masiva es el medio principal para transferir calor fuera del núcleo de fusión de la estrella.

La única excepción a esto es la transferencia de energía a través de neutrinos, a los que la mayoría de las estrellas son casi transparentes. Pero dado que la tierra y todos nosotros somos igualmente transparentes a los neutrinos, los neutrinos solares no son una fuente de calor del sol.

La respuesta de David Hammen se centró en el tema de la inestabilidad convectiva , pero puedo agregar algunos detalles.

El transporte radiativo es un mecanismo eficiente para el transporte de calor cuando la opacidad es baja, pero da paso a la convección cuando la opacidad es alta. Lo que sucede es esto: si la opacidad es alta, se necesita (o se necesitaría) un fuerte gradiente de temperatura negativo para transportar el flujo de calor hacia afuera. Ahora bien, si una gota de plasma se desplaza de alguna manera hacia arriba, entrando en una región de presión hidrostática más baja, se expandirá adiabáticamente y se enfriará, de acuerdo con la regla$T\sim {{P}^{2/5}}$, dado$\gamma =\tfrac{5}{3}$para plasma. Si la gota ahora es más fría y más densa que la temperatura ambiente, se hundirá de nuevo, pero si es más cálida y flotante, seguirá subiendo. La conclusión: siempre que el gradiente de temperatura conductivo o radiativo sea más pronunciado que el gradiente de temperatura adiabático, habrá inestabilidad convectiva.

Ahora pregunta: ¿Por qué la opacidad es alta en las capas exteriores del Sol? No soy un experto, pero creo que tiene que ver con las transiciones sin límites en el gas ionizado de forma incompleta.

La inestabilidad convectiva también está presente en la atmósfera terrestre. La atmósfera inferior tiene una opacidad relativamente alta a la radiación infrarroja, debido principalmente a la densidad, y es inestable por convección durante el día, pero la inestabilidad disminuye durante la noche, después de que el suelo se haya enfriado y se necesite transportar menos energía. La convección normalmente se detiene en la tropopausa, aproximadamente a 11 km sobre el suelo, pero la acumulación de gases de efecto invernadero puede cambiar eso.

La convección turbulenta en el núcleo exterior de la Tierra es lo que impulsa la dinamo geomagnética. Puede agradecer la baja conductividad térmica en lugar de la alta opacidad por la inestabilidad. Se cree que la fuente de energía operativa es el asentamiento de elementos más pesados, liberando así energía potencial gravitatoria. Luego, el hierro puro se congela bajo una presión extrema sobre el núcleo interno sólido, liberando un poco más.

Por qué la convección es un modo eficiente de transporte de energía...

Para una explicación demasiado simple, consulte: "¿ Cuál es la diferencia entre conducción, convección y radiación? ".

• La conducción es molécula a molécula, la tasa relacionada con el tamaño.

• La convección implica un gran movimiento de masa, y es energía.

• La radiación proviene de la superficie.

Tenga en cuenta que la explicación anterior deja mucho de lado, a propósito. ¿Se deseaba una respuesta más complicada?

• El proceso de conducción de calor depende de los siguientes factores: gradiente de temperatura, sección transversal del material, longitud de la ruta de viaje y propiedades físicas del material.

• Un calentador de espacio es un ejemplo clásico de convección. A medida que el calefactor calienta el aire que lo rodea cerca del piso, la temperatura del aire aumentará, se expandirá y subirá a la parte superior de la habitación. Esto empuja hacia abajo el aire más frío para que se caliente, creando así una corriente de convección.

• La radiación térmica se genera a partir de la emisión de ondas electromagnéticas. Estas ondas alejan la energía del objeto emisor. La radiación se produce a través de un vacío o cualquier medio transparente (sólido o fluido). La radiación térmica es el resultado directo de movimientos aleatorios de átomos y moléculas en la materia.

  La emisividad de un radiador ideal tiene un valor de 1. Los materiales comunes tienen valores de emisividad más bajos. El aluminio anodizado tiene un valor de emisividad de 0,9 mientras que el cobre es de 0,04.

  La emisividad se define como la efectividad de un objeto para emitir energía como radiación térmica. Es la relación, a una temperatura dada, de la radiación térmica de una superficie a la radiación de una superficie negra ideal según lo determinado por la ley de Stefan-Boltzmann.