¿Por qué el fuego hace muy poco sonido?

Las reacciones de combustión inherentemente no hacen ningún sonido. Pero liberan mucha energía, lo que hace que las moléculas cercanas adquieran una energía cinética aleatoria más alta, lo que teóricamente esdetectable como ruido browniano. Pero no es tan fácil como detectar el habla de un humano porque el ruido es indistinto y la potencia en el tímpano es menor: muchas de las velocidades de las partículas no son hacia el tímpano, por lo que se transfiere una cantidad limitada de energía. A diferencia de las ondas de sonido longitudinales, donde grupos de partículas oscilan periódicamente con grandes amplitudes, el movimiento aquí es bastante desorganizado y no es audible para todas las temperaturas razonables, por lo que es más probable que escuche el sonido de la madera al estallar debido a la expansión de las fibras. y escape de humedad y aire, o sonidos del viento soplando cuando el aire se expande y sube rápidamente.

Decidí intentar encontrar la temperatura necesaria para que el ruido browniano fuera tan fuerte como una conversación. Para$60\ \rm dB (SPL)$, con la referencia habitual de$2\times 10^{-5}\ \rm Pa$y considerando la región de mayor sensibilidad del oído, estamos buscando una presión rms eventual de$2\times 10^{-2}\ \rm Pa$. Usando la ecuación de Sobre campos mínimos de sonido audible por Sivian y White

Es importante no pensar que esto implica que nunca vamos a escuchar ruido browniano. Si toma algún software como Audacity (o probablemente cualquier herramienta de edición de sonido), puede generar ruido browniano y escucharlo en$60\ \rm dB$. Pero ahí tenemos una superposición deliberada de formas de onda de varias frecuencias (con amplitudes de acuerdo con la distribución) que se están reproduciendo. Pero no oiremos el ruido causado por la energía cinética aleatoria de las moléculas de aire a un volumen comparable al de las conversaciones normales .

"Porque solo podemos suponer que el calor producido por el fuego es una vibración de mayor intensidad que el sonido" no es realmente cierto: debido a la dirección de las oscilaciones/movimiento de las partículas, las ondas de sonido longitudinales terminan transfiriendo mucha más energía al tímpano. .

Eventualmente, no vamos a detectar el ruido; es más probable que los flujos debidos a la convección y la expansión del aire caliente sean audibles.

Sivian, LJ y SD White. “Sobre campos mínimos de sonido audible”. El Diario de la Sociedad Acústica de América , vol. 4, núm. 3, 1933, págs. 176 y 177, doi:10.1121/1.1901988.

Y algunas cosas interesantes relacionadas: diferencia entre el sonido y el calor a nivel de partículas

El término "sonido" se utiliza para describir variaciones macroscópicas en la presión del fluido en una escala de tiempo de 50 microsegundos a 50 milisegundos. Cuando algo parece quemarse casi en silencio, dicha combustión involucrará muchos eventos individuales que aumentan la presión gaseosa ambiental, pero casi todos los efectos son tan rápidos que las variaciones en la presión que causan se anularán promediando en un intervalo de 50 μs, o son tan lento que el cambio de presión en cualquier intervalo de 50 ms será insignificante.

La llama de un soplete de propano, un soplete de oxiacetileno o un soplete produce cantidades significativas de ruido. Esto ocurre porque el proceso de mezcla de combustible y aire es turbulento y el proceso de combustión ocurre en una masa de aire que se mueve turbulentamente. La combustión no es uniforme en tiempo y espacio, lo que produce el "rugido" aleatorio de ruido blanco de una antorcha.

El proceso de combustión en la llama de una vela, una lata de barbacoa de propano o un encendedor de cigarrillos no tiene una combustión que ocurra al mismo tiempo que la mezcla turbulenta de combustible y aire, por lo que produce muy poco ruido.

El sonido es una oscilación coherente de las moléculas en el aire, en particular, una compresión/rarefacción más o menos sincronizada (moléculas que se acercan más que se separan) que se propaga a través de él.

Eso lo hace, termodinámicamente, efectivamente más como "trabajo". Es decir, es una forma de energía de entropía relativamente baja: muy ordenada, o de manera equivalente, "parece una señal", y podría describirse con un patrón de datos relativamente comprimible (es decir, contiene regularidades estadísticas) en una computadora con suficiente almacenamiento, como según la ley de equivalencia de la entropía termodinámica de la información

Por otro lado, el calor de un fuego es solo eso: calor. Es la entropía máxima y las moléculas se mueven completamente al azar (lo que significa que no es posible la compresión). "Parece ruido", lo que significa que su descripción dinámica serán datos aleatorios, más o menos, parece ruido en el sentido de "ruido" como "información sin sentido". Tenga en cuenta que esto no es lo mismo que "ondas sonoras ruidosas": siguen siendo ondas coherentes, solo las amplitudes son aleatorias o, de hecho, solo son aleatorias en una dimensión, por lo tanto, siguen siendo de baja entropía, aunque más altas que un tono puro.

Por lo tanto, no habrá sonido del calor de la llama solo. En particular, se puede dar un argumento termodinámico razonable de que no se puede escuchar el calor directamente simplemente notando que para escucharlo, tiene que trabajar en el tímpano para desplazarlo del equilibrio oscilatorio, y el trabajo es precisamente lo que no se puede hacer con el calor en este caso. forma. Si fuera posible escuchar el calor directamente, es decir, que las colisiones aleatorias de moléculas contra el tímpano crearan directamente un movimiento ordenado del mismo, o que las colisiones aleatorias se convirtieran espontáneamente en ondas ordenadas al entrar en contacto con el aire, básicamente podría utilizar el oído como un dispositivo para extraer trabajo de él de forma gratuita en violación de la segunda ley de la termodinámica.

Dicho esto, uno puede objetar que esto solo se aplicaría en una situación de equilibrio térmico, y un incendio está lejos del equilibrio; de manera simplista, temperatura de llama de 2000 K versus temperatura ambiente de 300 K, y por lo tanto debería poder extraer trabajo.

Y resulta que así es exactamente como un fuego es , de hecho, audible. El gas caliente puede expandirse (un movimiento concertado hacia afuera) gracias al gradiente e impulsar corrientes de convección dentro del aire, convirtiendo así el calor en trabajo (energía de baja entropía), y estas corrientes se convierten efectivamente en viento, y eso produce un sonido audible de ráfagas/soplos de la misma manera que uno puede escuchar el viento de una tormenta. Pero la audición directa del movimiento aleatorio de las moléculas sigue siendo imposible según el argumento anterior.

(El "crujido" y el "estallido" de la quema de combustibles orgánicos sólidos y complejos como la madera se deben, como se mencionó en otra parte, a la repentina expansión/explosión de pequeñas bolsas de vapor que se forman dentro del combustible a partir de los volátiles, incluida el agua).

AGREGAR : Ahora que lo pienso un poco más, no creo que necesariamente funcione. Habrá una fluctuación aleatoria en la posición central del tímpano que resulta de promediar el movimiento de todas sus moléculas. Esto sería técnicamente sólido. Será muy pequeño, pero no necesariamente cero. (En términos de análisis de entropía, la entropía puede ser muy alta, pero no es$\infty$.) Dicho esto, aún no escuchará nada a menos que su oído esté en contacto directo con la fuente, porque la distribución de partículas dentro de cualquier pequeña porción de aire es más o menos térmica: es un gradiente de temperatura y, por lo tanto, el único ruido que escuchará. escuchará será a la temperatura ambiente alrededor de su tímpano. Con los cálculos de @Chair, esto significa que vaporizará tu oído (y a ti) mucho antes de que llegues lo suficientemente alto como para escucharlo.

El sonido son partículas de aire que vibran (golpeándose entre sí para formar ondas longitudinales) y el calor es la vibración de las moléculas de aire.

Ninguna de estas afirmaciones es del todo precisa. El oído humano contiene un montón de pelos que tienen diferentes frecuencias de resonancia. Si el aire vibra a la frecuencia de resonancia de uno de los cabellos, ese cabello enviará una señal al cerebro. Entonces, el oído humano básicamente actúa como una transformada de Fourier analógica.

Una analogía sería un columpio. Si empuja el columpio exactamente en el punto correcto de su ciclo, una y otra vez, el columpio se moverá más alto. Si empuja repetidamente el columpio, pero en momentos aleatorios, tendrá la misma probabilidad de cancelar un empujón anterior que de reforzarlo. Entonces, agregar más empujones, si son aleatorios, no hace mucho para aumentar la amplitud del swing. De manera similar, si hay una onda de sonido con una frecuencia tal que su pico sigue golpeando el cabello al mismo tiempo en su ciclo, entonces ese cabello se moverá hacia adelante y hacia atrás aún más. Si solo tiene moléculas de aire golpeando el cabello en momentos aleatorios en su ciclo, entonces se cancelarán, y agregar más colisiones o aumentar la magnitud de las colisiones no cambiará eso.

Tenga en cuenta que lo que percibimos como "sonido" es la vibración del aire como un todo, no las vibraciones de las moléculas individuales. Se necesita una gran cantidad de moléculas que se mueven juntas para crear lo que percibimos como "sonido". Las moléculas que se mueven por separado no crean sonido.

Además, es bastante correcto decir que el calor son vibraciones de moléculas. Si bien parte de la energía térmica son vibraciones internas, también es energía cinética de las moléculas que se mueven (especialmente en los gases).

El sonido es una oscilación en la presión. Podrías pensar que si la presión es lo que llamamos la fuerza neta de las moléculas de gas que chocan con una superficie, y esas moléculas se mueven al azar, algunas chocarán con mucha fuerza y ​​otras con poca fuerza, y por lo tanto la presión podría variar. .

Sin embargo, tenga en cuenta dos puntos:

En primer lugar, aumentar la temperatura de una cantidad fija de gas en un volumen fijo aumenta la energía cinética promedio de las moléculas y, por lo tanto, aumenta la presión . Pero debido a que la presión es más alta ahora que hace 10 minutos, no significa que esté oscilando , no a una frecuencia lo suficientemente alta como para ser audible de todos modos. Para ser sonido, la presión debe estar cambiando , y para ser un sonido audible , debe cambiar a una frecuencia que sea fisiológicamente detectable por nuestros oídos, entre 20 y 20,000 Hz.

En segundo lugar, por la ley de los promedios , la variación en las energías de las moléculas individuales es insignificante porque un tímpano es muchos órdenes de magnitud más masivo. Entonces, es solo la fuerza de colisión promedio de muchos millones de colisiones lo que determina las fuerzas macroscópicas en un tímpano.

Si quieres ponerte técnico, la ley de los promedios significa que la variación en la presión es muy pequeña, pero no cero. Si tuviéramos un instrumento de medición de presión con suficiente sensibilidad, podríamos medir una variación aleatoria de la presión debida al azar, lo que podría llamarse "sonido". A medida que aumentaba la temperatura, la variación aleatoria aumentaría, ya que habría una mayor dispersión entre las moléculas más energéticas y las menos energéticas. No lo escuchamos simplemente porque es una variación de muchos órdenes de magnitud demasiado pequeña para ser detectable por los oídos.

Por extraño que parezca, la respuesta es "sí, si lo haces bien". Los altavoces de plasma , a veces implementados a través de una llama controlada, son algo real.

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Como señaló Jmac, en las versiones basadas en llamas, la llama solo enciende el plasma, y ​​el plasma usa magnetismo para generar el sonido; no el calor. Entonces, en cierto sentido, son un par de pasos adicionales de conversión de la energía de la llama para producir las ondas de sonido.

Aparte de la afirmación de Chair de que la temperatura del aire tendría que ser enorme antes de que pudiera escucharse el movimiento browniano asociado de las moléculas de aire, es importante tener en cuenta que el calor no llega al oído en absoluto. Solo escuchamos aire oscilante en el oído propiamente dicho; no podemos escuchar el aire oscilante a lo lejos, directamente. Podemos ver una pieza de metal brillante; podemos sentir el infrarrojo; pero no estamos expuestos al aire a 1000K.

Eso es obviamente algo bueno.

Por qué el sonido, una oscilación más o menos organizada de las moléculas de aire, se transmite a largas distancias mientras que el caótico movimiento browniano se transmite comparativamente mal es una pregunta diferente (y no puedo responder de inmediato). Pero es cierto para la mayoría de los materiales, para algunos de ellos de manera asombrosa: puede usar un soplete en un escudo térmico de cerámica y tocarlo en el otro lado; pero es probable que golpearlo con un martillo atraviese todo el transbordador espacial.