¿Cómo se crea el viento?

Un amigo mío una vez escuchó una conversación entre un padre y su hijo en un autobús de transporte público en un día ventoso. Niño: "¿Por qué sopla el viento?". Padre: "Algunos lugares son fríos y algunos lugares son cálidos. Eso no es justo. Así, el viento se lleva el aire frío y lo lleva al lugar cálido para que todos estén felices". - IRO-bot , de Earth Science.

El viento se crea en tres pasos.$^1$:

1. La luz del sol calienta el aire
2. El aire caliente se eleva debido a la flotabilidad
3. Cuando las moléculas de aire caliente se van, nuevas moléculas de aire se apresuran a ocupar su lugar. Eso es viento.

Supongo que le gustaría una descripción atómica/molecular del n. ° 3 (dígalo si no y puedo actualizar la respuesta).

P: ¿Por qué entra aire nuevo para reemplazar el aire caliente ascendente?

La respuesta corta es: porque las moléculas de gas llenan sus recipientes .

Solo necesitamos una ecuación, la ley de los gases ideales :

$PV=nRT$

Piensa en la atmósfera como dividida en capas horizontales. Cuando el aire caliente sube a una capa más alta debido a la flotabilidad, eso aumenta la cantidad de moléculas de gas.$n$en esa capa (y disminuye el número en la capa de abajo). Dado que el volumen de la capa superior$V$no ha cambiado eso significa que la presión$P$debe haber aumentado. Esto sucede porque si agrega más moléculas de gas a un volumen fijo, habrá un mayor número de colisiones de las moléculas de gas con las paredes del recipiente, lo que se registrará como un aumento de la presión (consulte la teoría cinética de los gases ) . Este aumento de la presión en la capa superior de la atmósfera y la disminución de la presión en la capa inferior dan como resultado una fuerza hacia abajo sobre las moléculas de gas en la capa inferior que rodea el aire caliente ascendente, como se muestra en los extremos derecho e izquierdo del diagrama.$^2$abajo:

Para comprender por qué los gases de alta presión empujan a los gases de baja presión, considere una cámara grande con dos secciones de gas de igual volumen selladas por una pared móvil:

Por la ley de los gases ideales, el lado derecho está a mayor presión. Dado que el lado derecho tiene más moléculas de gas que chocan con la pared que el lado izquierdo, la pared experimentará una fuerza neta y se moverá hacia la izquierda hasta que el número de colisiones (presión) sea el mismo en ambos lados.$^3$

$^1$Fuentes: Servicio Meteorológico Nacional del Reino Unido y Centro de Energía de Iowa
$^2$Fuente de la imagen: UCSB, Geografía 110 impartida por Joel Michaelsen (modificado)
$^3$Tenga en cuenta que esto supone que las colisiones tienen la misma energía, es decir, el gas está a la misma temperatura en ambos lados.

Sé que 'el aire que sopla se llama viento', pero lo que no sé es cómo se forma el viento. Y no quiero la respuesta de la Búsqueda de Google. Quiero saber más sobre el viento a nivel atómico o molecular

No es por una peculiaridad de los físicos que a pesar de que tenemos un enorme conocimiento de cómo funciona el marco microscópico de los átomos y las moléculas, todavía enseñamos y estudiamos termodinámica. El estudio de la mecánica estadística muestra cómo las cantidades termodinámicas surgen del sistema complejo de muchas partículas a nivel molecular.

A nivel molecular, las interacciones son todas electromagnéticas, las repulsiones y atracciones, todas en el nivel básico, se deben a varias interacciones electromagnéticas con las fuerzas de desbordamiento de los campos eléctricos positivos y negativos de los átomos. Como ejemplo la fuerza de van der Waals

A veces también se usa vagamente como sinónimo de la totalidad de las fuerzas intermoleculares.

El principio de exclusión de Pauli también define la compresibilidad relativa del volumen que pueden ocupar las moléculas y los átomos.

Por lo tanto, el movimiento colectivo de los átomos y las moléculas en el aire puede describirse mediante estas fuerzas e interacciones, PERO cuando uno tiene las herramientas de la termodinámica es como usar un bisturí láser de cirujano para cavar un pozo. Uno elige la teoría del marco de la física apropiada, y la termodinámica con ecuaciones de mecánica de fluidos es suficiente.

La temperatura de un gas monoatómico ideal es una medida de la energía cinética promedio de sus átomos. El tamaño de los átomos de helio en relación con su espacio se muestra a escala bajo 1950 atmósferas de presión. Los átomos tienen una cierta velocidad promedio, reducida aquí dos billones de veces desde la temperatura ambiente.

Tomemos un ejemplo simple: el aire caliente sube en la chimenea y se genera un viento. Lo que sucede a nivel molecular es:

La velocidad promedio de las moléculas aumenta al ser pateadas por el calor del fuego.

Todas las moléculas están sujetas a la fuerza de la gravedad. A energías cinéticas muy bajas, el aire permanecería en la superficie de la tierra.

En la chimenea antes de que se encienda el calor, las energías cinéticas promedio en todos los niveles son las mismas. Por lo tanto, la presión que se genera estadísticamente por las colisiones es la misma, ya que muchas moléculas transfieren un impulso hacia abajo y son impulsadas hacia arriba.

Para simplificar, consideremos solo las fuerzas hacia arriba y hacia abajo. Para elevarse, una molécula individual tendrá que vencer la fuerza de la gravedad. Por lo tanto, al crear una muestra "más caliente", tendrá una energía cinética promedio más alta y se acumula un movimiento estadístico contra la gravedad, y la muestra estadística caliente se distribuye más ampliamente en volumen. Esto permite que el espacio de fase para las moléculas de muestra frías adyacentes en su dispersión se difunda y se extienda, y dado que el "vaciado" es perpendicular, el llenado también será perpendicular, y allí se calienta y sube también.

Básicamente, el viento atmosférico se crea a partir de las diferencias de presión de un área respectiva a otra, por lo que las moléculas de aire son empujadas hacia la zona de menor presión. Este movimiento de las moléculas de aire se llama "viento".

Una aplicación de este principio simple puede describirse mediante el llamado efecto Venturi derivado de la ecuación de Berbouilli

Dado que el flujo permanece constante a través de secciones de diferentes áreas$A_\text {1}$y$A_\text {2}$tienes la siguiente relacion

Después de reorganizar se puede obtener la relación de Venturi

Mostrando cómo las diferencias de presión en ambos extremos pueden producir un flujo de aire de velocidad$v$y densidad$\rho$

Cuando una región se calienta y otra región en algún lugar se enfría, se crea una diferencia de presión. El aire caliente sube y luego se dirige hacia la región de baja presión para igualar la presión en ambas regiones.

Ahora bien, ¿por qué sube el aire? Quiero decir, por qué sube el aire caliente. Una explicación sencilla es:

El aire caliente es menos denso y experimenta una fuerza de flotación, como una burbuja de aire en el agua.

Encontré esta pregunta y esperaba ver una respuesta más específica en términos de las moléculas mismas. Por supuesto, la presión no tiene sentido a escala molecular, donde solo intervienen la velocidad y las colisiones. A pesar de la amplia variación en las velocidades y direcciones moleculares, el viento es un sesgo superpuesto en una dirección. Es causado por un sesgo en la dirección de donde provienen las colisiones. Hay mucho en lo que pensar, la magnitud de la velocidad del viento frente a la distribución de velocidades "aleatorias", el camino medio recorrido entre colisiones y cómo las colisiones dan lugar a características emergentes como presión y vórtices. Me gustan las respuestas que leo, pero a escala de moléculas es otra cosa.