¿Te has preguntado alguna vez por qué el sonido viaja más rápido a través de una sustancia caliente que de una fría? ¿O por qué viaja más rápido en el agua que en el aire? Si es así, no es el único. Son preguntas comunes entre los estudiantes de ciencias y los no científicos. Sin embargo, no hay ninguna paradoja: la razón de estas diferencias es bastante sencilla. Aunque el calor hace que el aire sea menos denso, las moléculas más calientes se mueven más rápido que las frías (y, por tanto, arrastran las ondas sonoras con ellas). Por tanto, aunque las moléculas de aire caliente se desplazan a mayor velocidad de media que las frías en cualquier volumen de muestra de gas en un momento dado, no necesariamente se mueven más rápido en distancias más largas (como a través del océano). También cabe señalar que la presión atmosférica no tiene nada que ver con este fenómeno: la presión atmosférica sólo cambia ligeramente con los cambios de temperatura; además, la presión atmosférica en las ciudades difiere significativamente de las zonas rurales cercanas debido a los impactos de la contaminación en las condiciones microclimáticas, como las corrientes de viento y los gradientes de temperatura dentro de los cañones urbanos entre los edificios, etc.
La velocidad del sonido a través de un gas depende de la raíz cuadrada de la relación entre el peso molecular y la temperatura.
La velocidad del sonido a través de un gas depende de la raíz cuadrada de la relación entre el peso molecular y la temperatura.
El peso molecular del aire es de unos 29,9 gramos/mol, mientras que el agua tiene un valor mucho menor, de 18 gramos/mol. A temperatura ambiente, esto significa que el sonido viaja más rápido en el aire que en el agua porque su masa es mayor (y por tanto su densidad es menor). Sin embargo, a medida que calentamos nuestros gases de muestra y disminuimos sus densidades, se asemejan más a la del agua; por lo tanto, ¡también experimentan una velocidad más lenta!
Es cierto que en el aire, el aire caliente es menos denso que el aire frío.
En un tono más informal, se podría decir que el aire caliente es menos denso que el aire frío.
El aire está formado por muchas partículas diminutas llamadas moléculas, que son tan pequeñas que no pueden verse a simple vista. Las moléculas tienden a moverse de forma aleatoria: si se mueven lo suficientemente rápido y hay muchas juntas en un mismo lugar (como en tu habitación), chocarán entre sí y se moverán aún más. Además, a medida que aumenta la temperatura, también lo hace su velocidad, de modo que cuando las moléculas chocan entre sí a mayor velocidad hay más posibilidades de que se separen unas de otras y empiecen a moverse de nuevo de forma independiente, lo que facilita que se unan otras nuevas. Esto significa que el aire caliente contiene menos moléculas por unidad de volumen que el aire frío, porque las que ya están presentes se mueven hacia fuera más rápido de lo que pueden llegar las nuevas”.
Sin embargo, las moléculas del aire caliente se mueven más rápido que las del aire frío.
Sin embargo, las moléculas de aire caliente se mueven más rápido que las de aire frío.
El aire caliente es menos denso que el aire frío.
El sonido viaja más rápido por el aire caliente que por el aire frío.
La velocidad del sonido en una sustancia depende más de la velocidad media a la que se mueven sus moléculas que de la densidad.
La velocidad del sonido en una sustancia depende más de la velocidad media a la que se mueven sus moléculas que de la densidad. Por ejemplo, si utilizáramos un peso molecular medio para el aire y otro para el agua, el sonido viajaría más rápido en el agua que en el aire. Del mismo modo, si utilizáramos un peso molecular medio para el acero (que es más denso que el agua o el aire) y uno para el aire caliente (menos denso que el frío), entonces el sonido viajaría más despacio en el acero que en el aire caliente.
Según este trabajo del Dr. Marvin Druger, no existe ninguna paradoja porque las moléculas más calientes se mueven más rápido que las frías.
No hay ninguna paradoja porque el aire caliente es menos denso que el aire frío, pero sus moléculas también se mueven más rápido. Esto significa que la velocidad del sonido en el aire caliente o en la materia caliente será mayor que en la materia más fría. En otras palabras, si te encuentras en una habitación en la que tanto la temperatura como la densidad han aumentado (como después de entrar en una sauna), puede que oigas menos ruido porque todo lo demás ha rebotado más rápido y se ha dispersado fuera de tu camino.
Así que, aunque pueda parecer que hay algo malo en este escenario cuando se habla de ondas sonoras que se mueven a través de diferentes densidades, resulta que, siempre que tengamos en cuenta todos los factores implicados (peso molecular frente a temperatura), ¡todo sale bien!
No es paradójico que el aire caliente sea menos denso pero que el sonido viaje más rápido a través de él
No es paradójico que el aire caliente sea menos denso pero que el sonido viaje más rápido a través de él. La razón de ambos fenómenos está relacionada con la rapidez con la que se mueven las moléculas en cada tipo de medio: las moléculas del aire caliente se mueven más rápido que las del aire frío y, por tanto, el aire caliente es menos denso que el aire frío.
El aire caliente puede visualizarse como si estuviera formado por pequeñas partículas o átomos, que se mueven constantemente en todas las direcciones a diferentes velocidades según su temperatura. En general, la temperatura de un cuerpo puede considerarse una medida media de su energía cinética (es decir, de la energía del “movimiento”). Los cuerpos más calientes tienen más energía cinética que los más fríos, por lo que contienen más partículas activas y poseen mayor densidad.
Conclusión
Ahora que hemos comprobado que no hay ninguna paradoja, ¡pongamos todo en orden! La velocidad del sonido depende de la rapidez con la que se mueven las moléculas de una sustancia (la velocidad media), no sólo de su densidad. Las moléculas de aire caliente se mueven más rápido que las de aire frío, por lo que tienen una mayor velocidad media y, por tanto, viajan a mayor velocidad a través del aire (u otras sustancias). Esto significa que el aire caliente es menos denso que el aire frío, pero se mueve más rápido a través de él
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