¿Por qué la llama del fuego va para arriba?

El aire caliente sube. Es una de las cosas que se aprenden en la escuela primaria, pero pocos se paran a pensar por qué. Parece una ley de la naturaleza: El aire caliente sube y el aire frío se hunde. ¿Pero hay excepciones? ¿Sube el agua caliente? ¿Y el vapor? Hoy intentaremos responder a estas preguntas y averiguar por qué sube el aire caliente, así como lo que ocurre cuando lo hace.

¿Por qué sube la llama del fuego?

Seguramente te preguntarás: «¿Por qué sube la llama del fuego?». Pues bien, todo tiene que ver con la temperatura. El aire caliente tiene menos densidad que el aire frío y por eso sube. La temperatura de un gas se basa en la energía cinética y el movimiento molecular. Cuanto mayor es la energía cinética de un gas, más rápido se mueven sus moléculas, lo que conduce a una mayor temperatura para ese tipo concreto de molécula (más adelante se hablará de ello).

El calor también está relacionado con la presión: Cuando calientas algo, se calienta más; cuando calientas un espacio cerrado (como el interior de tu horno), el aire también se expande en ese espacio. Esto significa que si tenemos 1 metro cúbico de aire a temperatura normal a nivel del mar en un espacio cerrado sin aberturas ni respiraderos donde un metro cúbico se expandiría normalmente a 20 metros de altura (porque vivimos cerca del nivel del mar), entonces si aumentamos su temperatura en 10 grados Celsius por ejemplo, ahora en lugar de expandirse a 20 metros de altura por la sola expansión debido al aumento de los niveles de densidad – porque ahora hay más energía disponible por unidad de masa ya que todo se ha expandido – ¡ahora sólo se expande a 16 metros de altura! Este efecto sería aún mayor si nuestra habitación estuviera situada a mayor altura, donde la presión atmosférica disminuye mucho más rápido de lo que aumenta la altura linealmente…

El aire caliente sube, el aire frío se hunde.

Cuando se sopla en un globo de aire caliente, el globo se expande. Esto sucede porque el aire caliente del interior es menos denso que el aire circundante del exterior, por lo que se eleva hacia arriba. Cuando un objeto se eleva de esta manera, se llama flotabilidad.

Lo mismo ocurre con la temperatura del cuerpo: cuando tienes frío y empiezas a calentar, tu cuerpo se calienta y se expande (por eso llevar una chaqueta ajustada puede hacerte sentir más caliente). Pero como el cuerpo humano está formado principalmente por agua y grasa -ambas más pesadas que el oxígeno o el nitrógeno-, se hunde cuando vuelve a enfriarse.

El calentamiento del aire lo hace más ligero que la atmósfera circundante, por lo que sube.

El aire que rodea tu casa está a la misma temperatura que el aire del interior. Pero cuando enciendes un fuego, éste se calienta rápidamente y se vuelve más caliente que la atmósfera circundante. Puedes comprobarlo acercando la mano a la llama; si lo haces y luego retiras la mano lentamente, notarás menos calor desde más cerca del fuego que desde más lejos.

La llama de gas caliente forma un penacho de humo ascendente y aire caliente que comienza a subir en dirección ascendente a través del aire circundante más frío fuera de la propia caja de fuego. El humo caliente se eleva porque tiene más energía térmica que las moléculas de oxígeno frías que se encuentran fuera de su penacho (el combustible ardiendo).

Las moléculas de gas más calientes están en la parte superior y llevan consigo la energía térmica.

Como puedes ver arriba, las moléculas de aire caliente son más ligeras que las de aire frío y se mueven más rápido. Esto se debe a que tienen una mayor cantidad de energía cinética (energía del movimiento).

Cuanto más caliente está un gas, más energía cinética tiene y más rápido se mueve.

Cuando acercas la mano a la llama de una vela, sientes su calor. La llama obtiene su calor del gas que se quema. Cuanto más caliente está un gas, más energía cinética tiene y más rápido se mueve. Si esto te suena, es porque ya hemos hablado de la energía cinética en nuestro artículo sobre el funcionamiento de las máquinas de vapor.

Como puedes ver en esta imagen, cuando el aire (o cualquier otra sustancia) se calienta por encima de su punto de ebullición, comienza a evaporarse en vapor de agua a esa temperatura. Como después de la evaporación hay menos moléculas en una cantidad determinada de aire que antes (porque algunas se han transformado en vapor de agua), esto significa que hay menos masa para cada molécula que empujar; ¡cada molécula individual tiene menos peso sobre sus hombros, por así decirlo!

Si todo lo demás fuera igual, el aire caliente ascendería porque tiene menos densidad que el aire a temperatura ambiente o más frío, lo que significaría que el aire caliente ascendería más fácilmente a través de las capas más frías que tiene por encima… pero recuerda lo que hemos dicho antes: «Todo lo demás no es igual».

El calentamiento del agua también hace que se eleve, debido a que su densidad disminuye al hacerse menos densa que el líquido que la rodea.

De la misma manera que un líquido más ligero sube a la parte superior de un vaso, el agua también sube. Cuando el agua entra en contacto con un líquido de menor densidad, cae al fondo de ese líquido y se queda allí por dos razones: la tensión superficial y la acción capilar.

  • La tensión superficial es cuando todas las moléculas de algo se pegan entre sí, lo que hace más difícil que se alejen unas de otras que si no estuvieran unidas. Cuando esto ocurre en una mancha de aceite en la piscina o el lago, hace que sea más difícil cruzar a nado sin mojarse en todo momento durante el viaje, ¡y a veces incluso después de varios intentos! Este comportamiento también explica por qué el agua del grifo se forma en gotas cuando se libera en el aire en lugar de caer directamente al contacto con la atmósfera como haría la lluvia (o la nieve).
  • La acción capilar se refiere a cómo se comportan los líquidos cuando entran en contacto con superficies porosas como el papel de lija o el material absorbente de la ropa, porque su superficie les permite acceder más profundamente a esos materiales de lo que sería posible sin su presencia allí

La tensión superficial y la acción capilar también son factores que hacen que el agua suba en contra de la gravedad.

Tanto la tensión superficial como la acción capilar son factores que hacen que el agua suba en contra de la gravedad. La tensión superficial es la fuerza que mantiene unidas las moléculas de los líquidos. Cuando se pone una gota de agua en la mano, se forma una esfera debido a la tensión superficial. La acción capilar es la capacidad de un líquido de subir por un tubo estrecho (como en una pajita) debido a su atracción por las paredes de su recipiente. Esta atracción está causada por la tensión superficial: cuando se elimina el aire de un espacio cerrado, aumenta la atracción entre las moléculas a ambos lados de una pared porque quieren acercarse hasta alcanzar el equilibrio; este fenómeno se llama cohesión o adhesión, según se trate de dos superficies sólidas o no.

El aire caliente sube porque tiene menos densidad que el aire a temperatura ambiente o más frío.

Por eso la llama de un fuego sube. El aire caliente tiene menos densidad que el aire a temperatura ambiente o más frío, lo que lo hace más ligero y le ayuda a subir. El mismo principio se aplica a muchas otras cosas en la Tierra, como los globos aerostáticos y el humo de los incendios forestales.

Conclusión

La temperatura del aire influye en su densidad, que a su vez afecta a su fuerza de gravedad. El aire caliente es menos denso que el aire a temperatura ambiente, por lo que sube y se aleja del fuego.

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