Durante una clase sobre la formación de nubes para estudiantes de tercer año de secundaria, expliqué la expansión adiabática.
La pregunta más frecuente de los estudiantes es "¿Por qué baja la temperatura cuando el aire se expande?".
Aunque los estudiantes encuentran difícil la expansión adiabática, descubrí que en los blogs de Naver no hay muchas explicaciones sencillas sobre este tema.
Así que esta vez intentaremos escribir un artículo sobre la expansión adiabática.
1. Teoría cinética de los gases
La teoría cinética de los gases es una teoría que explica los fenómenos físicos de los gases a través del movimiento molecular.
En primer año de secundaria se aprende sobre la difusión.
El proceso de propagación del aroma de un perfume por el entorno se explica como el movimiento de las partículas, lo que se puede considerar como una introducción a la teoría cinética de los gases.
El punto más importante de la teoría cinética de los gases es cómo explica las propiedades físicas de un gas.
La teoría cinética de los gases asume un gas ideal que cumple con los siguientes supuestos.
Un gas ideal es un gas ficticio que satisface las leyes físicas y no existe realmente.
1. Las moléculas de gas tienen masa, pero no volumen.
2. Las moléculas de gas no ejercen fuerzas entre sí.
3. Todas las colisiones entre moléculas de gas son perfectamente elásticas.
4. El gas nunca se licua ni sublima a ninguna temperatura o presión.
5. La energía cinética promedio de las moléculas de gas es proporcional únicamente a la temperatura absoluta, y no depende del tamaño, forma o tipo de molécula.
[Enciclopedia Wikipedia - Teoría cinética de los gases]Los puntos 1, 2, 3 y 4 anteriores se utilizan para excluir otros factores físicos como las fuerzas de atracción entre moléculas de gas o el volumen propio de las moléculas cuando se explican fenómenos físicos mediante el movimiento molecular.
Por ende, las propiedades físicas de un gas ideal dependen solo de la presión del gas (P), el volumen del gas (V) y la temperatura absoluta del gas (T).
Presión del gas: P
Volumen del gas: V
Temperatura del gas (temperatura absoluta): TLo que debemos tener presente es el supuesto número 5, es decir, que la energía cinética promedio de las moléculas de gas es proporcional únicamente a la temperatura absoluta.
Usamos deliberadamente el término 'promedio' porque el movimiento de las moléculas es desordenado, por lo que, incluso con una temperatura dada, las velocidades de las moléculas en el gas son diferentes.
En cualquier caso, esto significa que cuanto más alta es la temperatura absoluta (T) de un gas, más activo es el movimiento de las moléculas internas del gas.
Cuanto más alta es la temperatura del gas, mayor es el 'promedio' de la velocidad molecular, y cuanto más baja es la temperatura del gas, menor es el 'promedio' de la velocidad molecular.
Conocer esto es el primer paso para entender por qué baja la temperatura cuando ocurre una expansión adiabática.
2. Razones por las que ocurre la expansión adiabática
La expansión adiabática y la compresión adiabática son conocidas conjuntamente como cambios adiabáticos.
La razón por la que se llama 'adiabático' es porque el volumen del aire cambia sin intercambio de calor con el exterior.
En otras palabras, el volumen del aire aumenta o disminuye sin calentarlo ni enfriarlo.
Cuando el aire se mueve verticalmente en la atmósfera, su volumen cambia.
Esto ocurre porque cambia la presión del aire.
Como el aire tiene peso, el aire cerca de la superficie está comprimido por la presión del aire que empuja desde arriba, resultando en alta presión.
A medida que ascendemos en la atmósfera, la cantidad de aire que nos presiona desde arriba disminuye, y la presión también disminuye.
Si un volumen de aire calentado en la superficie asciende, la disminución de la presión circundante provoca un aumento de su volumen.
A este cambio se le llama expansión adiabática. Por el contrario, cuando el aire en altitudes elevadas desciende, se produce una compresión adiabática que disminuye su volumen.
Por ejemplo, si lanzamos un enorme globo lleno de helio como el de la imagen anterior, se rompe y cae generalmente en la estratosfera.
Al llegar a la estratosfera, donde la presión disminuye mucho, el globo, que inicialmente tenía el tamaño de un escritorio, se expande hasta el tamaño de una habitación.
Este cambio en el tamaño del globo también es un ejemplo de cambio adiabático, ya que el cambio de tamaño no se debe al calor.
3. Cambio adiabático y cambio de temperatura del gas
Primero observemos cuando ocurre la expansión adiabática. Supongamos que tenemos un globo en expansión o un gas, como se muestra en la imagen a continuación. La expansión del gas se debe al movimiento de las moléculas de gas.
Cuando las moléculas empujan el límite del gas y regresan, su velocidad disminuye.
La disminución de la velocidad de las moléculas de gas indica una disminución de la temperatura. Por lo tanto, cuando un gas se expande, su temperatura baja.
Para simplificar, piensa en lanzar una pelota de béisbol a un objeto que puede moverse libremente. ¿Con qué velocidad regresará la pelota?
El objeto se desplazará hacia atrás, y cuando la pelota regrese después de chocar, su velocidad será mucho menor que al comienzo.
Si realizamos este experimento en el espacio, el objeto se moverá en sentido opuesto a la pelota a cierta velocidad.
En este caso, se dice que la pelota realizó "trabajo" al transferir energía cinética al objeto.
Si en circunstancias similares un gas se expande mientras empuja el gas circundante, se dice que el gas ha realizado trabajo sobre el exterior.
Por otro lado, durante la compresión adiabática, ocurre una situación completamente opuesta. Esto sucede cuando la presión exterior es mayor y el gas se comprime, haciendo que las moléculas de gas estén más activas debido a los choques con moléculas externas. Esto se manifiesta como un aumento de temperatura.
Es fácil de entender si se piensa en una pelota de béisbol chocando contra un objeto que se acerca, como en la figura a continuación.
4. Conclusión
En resumen, lo anterior puede decirse de la siguiente manera:
La energía cinética (velocidad) de las moléculas de gas es proporcional a la temperatura del gas. Un gas se expande porque sus moléculas empujan el aire exterior, lo que reduce su energía cinética. Por lo tanto, cuando ocurre la expansión adiabática, la temperatura del gas disminuye.
A continuación, se presenta un video tomado de YouTube que puede ayudar a entender mejor.
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