Si la temperatura es la cantidad de energía cinética de las partículas, ¿cómo puede haber una brisa fría? [duplicar]

Cuando ponemos las manos en aire acondicionado da vientos fríos. Estos vientos tienen alta energía cinética pero baja temperatura. Cómo ? * no confunda con A/C como bomba de calor, solo un ejemplo, tome ventiscas antárticas. No puedo entender la paradoja de los vientos de baja temperatura. La temperatura es algo definido por la energía cinética.

Creo que malinterpretas varias cosas. En primer lugar, no es la energía cinética total la que se relaciona con la temperatura, sino la energía cinética media en el marco de reposo del flujo a granel (es decir, en el marco donde la "brisa" no se mueve). Se relaciona con las velocidades aleatorias sobre la media. En segundo lugar, "frío" es un término relativo. Si el aire en 60 ∘ F pasa a su lado, se sentirá "frío", pero si ese aire es comparable con el aire ambiente y/o la temperatura de su cuerpo, se sentirá cálido.
Sí, lo sé, Boltzman Maxwell Curve. Además, ya sea que diga frío o calor, todavía puedo reformular la pregunta de la manera que desee. Por supuesto que estoy hablando en relación con las condiciones de STP.
@honeste_vivere no se puede negar que la energía cinética del viento AC promedio es más baja que la media del aire STP
Hay una diferencia entre la energía cinética resultante de ⟨ v 2 ⟩ y eso de ⟨ v ⟩ 2 . El primero se relaciona con la temperatura y el segundo con la presión dinámica/ram. La energía cinética ram del escape de una unidad de aire acondicionado puede ser mucho mayor que la energía cinética ram del aire en una habitación tranquila.
El malentendido central en la pregunta se aborda en ¿Por qué no me quema un viento fuerte? .
Supongamos que estás en una pelea de bolas de nieve. ¿Tu teoría es que una bola de nieve lanzada a tu objetivo a 10 m/s es mucho más fría que una bola de nieve idéntica lanzada a tu objetivo a 20 m/s, porque una tiene una energía cinética mucho menor que la otra?
Puedo recordar días en que una brisa de 85F parecía "fresca", otras veces en que una brisa de 65F parecía "cálida". Todo es relativo.

Respuestas (4)

La velocidad promedio de una molécula de aire se puede aproximar mediante la siguiente ecuación, que es exacta solo en el caso de un gas ideal:

⟨ v ⟩ = 2 R T METRO

Esto significa en 25 ºC ( 298 K) las moléculas de aire se moverán al azar a una velocidad promedio de ≃ 467 milisegundo.

Digamos que el aire acondicionado enfría el aire en 15 ºC ( 288 K) antes de soplarlo hacia la habitación. De la fórmula anterior, la velocidad molecular promedio será entonces ≃ 459 milisegundo.

Cuando el AC expulsa el aire, lo hace a 0.1 − 0.3 m/s (1). Esto significa que, en el peor de los casos, una moción de 0.3 m/s se superpone a un movimiento promedio que está alrededor de 460 m/s, más de mil veces más rápido.

Entonces puede ver cómo el movimiento de la masa de aire en su conjunto es despreciable: lo que importa es la velocidad molecular promedio en el marco de reposo de la masa de aire.

Además, incluso si usa un ventilador simple en lugar de la CA, percibirá el flujo de aire que golpea su piel como más frío. Esto se conoce como enfriamiento convectivo. Consulte, por ejemplo , esta publicación para obtener una explicación simple.

(1) Fuente

¿Qué pasa con los vientos antárticos que alcanzan velocidades de varios cientos de metros por segundo? ¿Eso los hace calientes?
@Jeff, el récord mundial de velocidad del viento es de 231 mph ~ 103 m/s. Normalmente, el aire debe ser supersónico para comenzar a calentarse, más de 300 m/s
@Jeff Sí, lo que significa que si mide su temperatura en un marco de referencia fijo o en un marco que se mueve con la masa de aire, obtiene resultados diferentes. De todos modos, la velocidad del viento más alta jamás registrada en la Tierra es de 113 m/s (Ciclón Olivia, 1996). Puede tratar de averiguar qué cambio traería esto en la temperatura, pero tenga cuidado de que el v en ⟨ v ⟩ es el valor absoluto de la velocidad, mientras que el viento (presumiblemente y aproximadamente) soplará en una sola dirección espacial.
Entonces, ¿significa esto que en el caso de CA, suponiendo que estuviera expulsando un gas ideal, la mayoría del aire que se movía prácticamente no se movería en absoluto con unas pocas partículas moviéndose a una velocidad muy grande?
@SGR no ... el flujo NETO del aire, el flujo de aire real de "macroescala" que sientes es la velocidad del viento, pero las moléculas de aire se mueven en todas las direcciones. Es un poco como las cuentas de poliestireno en una superficie de agua que fluye... el movimiento neto de las cuentas seguirá el flujo del agua, pero las cuentas también se moverán entre sí dependiendo de lo que establezca como marco de referencia.
@ valerio92 Creo que te refieres a 459,3 m/s, no a 460.
@Tim (y valerie), parece que la velocidad máxima del viento provoca casi los mismos debates que tiene la temperatura récord durante mucho tiempo. Pero dudo que estés incluyendo las velocidades del viento en el aire superior y definitivamente estás excluyendo las velocidades de detección remota bastante cerca del suelo. Pero eso no importa, el punto son las conclusiones, que parecen lo suficientemente sólidas :-)
@JeopardyTempest En realidad, todo lo que hice fue buscar en Google la velocidad máxima del viento en la tierra y mirar el cuadro "una respuesta verdadera": PI no sintió que hubiera mucha necesidad de una fuente especialmente confiable, siempre que lo que encontré fuera significativamente por debajo de los 300 m /s que había sugerido.
@Setop Son iguales a 2sf para ser justos, que es todo lo que tenemos la temperatura medida en el ejemplo. 460 es probablemente una mejor respuesta.
@JeopardyTempest No quería discutir sobre el registro, solo escribí lo que recordaba :-) (lo busqué hace algún tiempo para responder otra pregunta). Tim tiene razón: si simplemente busca en Google 'récord de velocidad del viento', sale 103 m/s, pero al leer el artículo Wiki descubre que este valor es en realidad el segundo más alto jamás medido. De todos modos, como usted mismo ha dicho, ambos valores son equivalentes para el propósito del argumento.

Hay dos cosas en juego aquí.

La naturaleza del calor

La temperatura tiene que ver con el movimiento aleatorio y no dirigido. Entonces, por ejemplo, en gas a temperatura ambiente, puede tener moléculas individuales que se mueven a sí mismas a 100   milisegundo − 1 , sin embargo, en promedio, la velocidad es cero.

Cuando tienes un cuerpo de aire más frío en movimiento, significa que, en promedio, su energía cinética es menor, pero tienen una velocidad neta de "deriva". Es decir, las partículas tienen velocidades aleatorias, lo que corresponde al calor, pero debido a que han sido "sopladas", tienen una velocidad promedio de quizás 5   milisegundo − 1 en una dirección particular.

¿Por qué una brisa nos refresca?

El hecho de que una brisa nos refresque tiene poco que ver con la temperatura del aire. Considere su mano, sentada en el aire quieto. Tu mano le dará algo de energía térmica a una capa de aire que la rodea. (En el proceso de calentar ese aire, tu mano se enfriará). Ahora bien, si el aire está quieto, entonces ese es el final de la historia. Sin embargo, cuando hay brisa, esta capa de aire que has calentado se lleva. Se reemplaza con un poco de aire frío nuevo, al que su mano puede volver a calentar, lo que enfría su mano nuevamente. Cuando hay brisa, tu mano recibe constantemente aire nuevo que puede calentar. Y así es menos que el aire tenga una temperatura más baja, es que tan pronto como se calienta, es reemplazado por un nuevo conjunto de aire frío.

Solo por diversión, consideremos otro efecto similar. Digamos que hay un poco de agua en tu mano. Cuando esta agua se evapora, requiere calor de tu mano, por lo que el agua que se evapora te enfriará. En aire en calma, eventualmente el aire comenzará a contener más vapor de agua y, por lo tanto, el proceso de evaporación será más lento. Sin embargo, si introducimos una brisa, entonces estamos trayendo aire fresco y seco, por lo que el proceso de evaporación puede ocurrir más rápido y así se puede quitar más calor. Este proceso es la razón por la que si te lames la mano y luego la soplas, se enfría.

Si la temperatura tiene poco que ver, ¿cómo puede haber "vientos calientes"?
Énfasis en "poco" que ver con eso. Todavía necesita que haya un gradiente de temperatura para que el calor fluya de su mano al aire.
@user154547 Los vientos calientes son masas de aire caliente que se mueven a lo largo de un gradiente de presión. La velocidad de la masa de aire en movimiento tiene poco que ver con su temperatura.
@valerio92 para agregar: a menos que el aire pase realmente (supersónico) rápido
Con viento lo suficientemente fuerte, es posible morir de hipotermia en un día caluroso, esa es una de las razones por las que los motociclistas viajan con el cuerpo cubierto.
@Suma Eso se debe a que un "día caluroso" suele ser más frío que la temperatura de su cuerpo. Cuanto más rápido vaya, mayor será la transferencia de calor por convección y, por lo tanto, la temperatura más baja que su piel puede alcanzar en relación con la temperatura de su cuerpo. Incluso si el aire es solo unos pocos grados menos, si tiene mucha piel expuesta, podría provocar una gran pérdida de calor. Probablemente tampoco quieras viajar expuesto a temperaturas por encima del cuerpo, te sobrecalentarías muy rápido ya que la convección transferiría calor del aire a tu cuerpo.
@JMac hablando de dunas del desierto

El quid es que la temperatura es el movimiento no dirigido de partículas.

Considere un ejemplo muy fácil de dos moléculas de aire que vuelan con 100 metro / s lejos el uno del otro, uno en + X -dirección, la otra en − X -dirección. La velocidad media dirigida es entonces 0 , sin embargo, la velocidad media no dirigida que corresponde a la temperatura es + 100 metro / s .

Ahora suponga que acelera ambas partículas en + 50 metro / s , de modo que uno tiene una velocidad de − 50 metro / s y el otro + 150 metro / s . La velocidad media dirigida es entonces + 50 metro / s , que es la velocidad de la brisa. En contraste, los restos no dirigidos en ( 150 + 50 ) / 2 = 100 metro / s - la temperatura del sistema no ha cambiado.

Una brisa no es "un montón de moléculas de aire que se mueven en esa dirección". Una brisa es una ola de presión.

La velocidad de las moléculas de aire es del mismo orden que la velocidad del sonido. Están volando, chocando contra cosas y, en su mayoría, rebotando. Estás rodeado por un aluvión de diminutos "meteoritos" que se estrellan contra tu piel y rebotan en todas direcciones.

Bueno, estos meteoros en su mayoría rebotan entre sí , porque a 1 atm las cosas son tan densas que la molécula promedio viaja 68 nm antes de chocar con otra molécula.

Lo único que impide que te haga volar es que te golpean por todos lados de manera uniforme todo el tiempo.

Un vacío perfecto es solo el efecto del otro lado chocando contra ti y empujándote de esa manera, sin el apoyo de las moléculas en el lado del vacío. Una aspiradora reduce la presión del aire en una pequeña cantidad y genera una fuerza bastante grande de esta manera.

Un "viento" es una onda relativamente pequeña de mayor presión sobre este guiso violeta de moléculas de aire. Lo sentimos porque del lado de donde viene la presión es más alta y del otro lado es más baja. Incluso un huracán es un cambio de presión relativamente pequeño y es suficiente para levantar y destruir casas, árboles, automóviles y personas. ¡El huracán más fuerte proviene de una diferencia de alrededor del 10% en la presión atmosférica! Esa diferencia de presión desde el borde hasta el centro es suficiente para impulsar los vientos de toda la tormenta.

Un viento de 10 km/h viaja al 1% de la velocidad del sonido, que es aproximadamente lo rápido que se mueven las moléculas de aire. Ese movimiento macroscópico es una pequeña contribución a la energía cinética promedio de las moléculas de aire; tiene aproximadamente un 2% más de KE que el mismo aire estacionario.

Un viento de 100 km/h ahora va al 10% de la velocidad del sonido. Como KE es el cuadrado de la velocidad, en ese punto estamos hablando de un 20% más de KE que el mismo aire estacionario.

Tendría que acercarse a 700 km/h para que el viento tenga tanta KE de su movimiento de "viento" macroscópico como de su movimiento de "vibración" microscópico.

Ahora, como ha mencionado otro cartel, la velocidad de las moléculas de aire es en realidad un poco más alta que la velocidad del sonido; el sonido es una onda, por lo que no se propagará exactamente a la misma velocidad que las moléculas de aire (viajará un poco más lento). Pero te da el orden correcto de magnitud.

Una brisa es una desviación relativamente pequeña de la velocidad media de cero. No es un fenómeno de presión o una onda.
@dmckee Creo que puede estar malinterpretándolo o malinterpretándolo. Las diferencias de presión están altamente relacionadas con el viento (aunque no soy meteorólogo y no sé lo suficiente como para decir si es una acción térmica que crea una diferencia de presión que impulsa el viento, o variaciones térmicas que impulsan el movimiento que crea diferenciales de presión, etc. .). De cualquier manera, estoy de acuerdo en que no es exacto como es.
@dmckee Una brisa es una desviación relativamente pequeña de la velocidad media desde cero con un gradiente de presión correspondiente que permite que esa velocidad se propague (en forma de onda). Decir que una brisa no es un fenómeno de presión es como decir que la luz es solo una pequeña desviación en el campo eléctrico, no es un fenómeno magnético.
@Rick Es solo el movimiento relativo entre mí y la mayor parte del aire lo que genera una brisa. Ese movimiento relativo puede ser generado por patrones climáticos (que de hecho son impulsados ​​por diferencias de presión) o por el movimiento de un vehículo que viajo a través de un plácido espacio interior. Tampoco es necesario un comportamiento ondulatorio: un flujo de estado estacionario sigue siendo una brisa. Hay mucho aquí que podría ser parte de una buena discusión sobre el viento en general, pero está hurgando en "de dónde viene un viento natural" en lugar de la pregunta de transferencia térmica del aire en movimiento que hizo el OP.
@dmckee, sí, estoy de acuerdo en que la discusión sobre la presión es bastante tangencial a la pregunta del OP.
Si la temperatura es la cantidad de energía cinética de las partículas, ¿cómo puede haber una brisa fría? [duplicar]
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