09 enero 2010

Fundamentos de la convección atmosférica 1/3 (II)

PROCESOS ADIABÁTICOS
El mecanismo de convección actual se entiende bien por lo general – sigue el principio de que el aire caliente sube. La convección ocurre cuando el aire se calienta desigualmente causando que la temperatura de la región que recibe la mayor cantidad de calor se eleve por encima de la del resto. Este aire más caliente se expandirá, bajando su densidad. Haciéndose menos denso, el aire se hace flotante y, si nada lo impide, subirá. Cómo de alto y cómo de rápido dependerá de la temperatura del entorno en el que se adentre.
Para explicarlo con más profundidad debemos describir primero la distribución de la presión del aire en toda la atmósfera. La presión del aire es simplemente el peso total, extendido en una superficie, del aire en una columna vertical alargada hacia arriba desde la superficie hasta la cumbre de la atmósfera. De media, el peso del aire de una columna de altura igual al espesor de la atmósfera y con una sección transversal de una pulgada cuadrada es 14,7 libras (N.d.T.: 1 pulgada2 = 6.55 cm2; 1 libra = 454 gramos. Luego, 14,7 libras/pulg2 = 1018,9 g/cm2 , es decir, 1,018 Kg/cm2). El peso de la atmósfera en el tercio inferior de esa columna es igual a los otros dos tercios superiores y el peso en estos será, evidentemente, menor que el de toda la columna. La presión, a un tercio de la altura de la atmósfera será por lo tanto menor que a nivel del suelo. A dos tercios de la altura de la atmósfera, sólo quedará un tercio de aire ejerciendo presión y ésta será menor que la de los casos anteriores. En todo lo alto de la atmósfera ya no hay aire, por lo tanto, no hay peso de aire por encima y así la presión es cero. De esta manera, con este razonamiento tan simple se puede ver que la presión del aire decrece con el aumento de la altitud.
Cualquier parcela de aire que se eleve debido a la convección se elevará hacia aire con menor presión. Haciendo esto, se expandirá hasta igualar la presión entre él y su nuevo entorno. La presión de la parcela de aire que se está elevando caerá hasta igualar la del aire que está a esa altitud.
La temperatura de una parcela de aire puede ser cambiada añadiéndole calor o extrayéndoselo. Por otro lado, si una parcela de aire sufre un cambio de volumen (es decir, se expande o se contrae) sin ganar o perder calor, su temperatura se puede ver alterada. Cuando una parcela de aire se eleva y se expande, sin ganar o perder calor, su temperatura caerá. Lo contrario ocurrirá – su temperatura aumentará – cuando sea comprimida al caer a una capa más baja. El motivo de todo esto es difícil de explicar sin hacer referencia a las ecuaciones matemáticas que expresan la Ecuación de los Gases Ideales, pero con lo que tiene que ver es con el hecho de que las tres variables que describen el estado de un gas – volumen, presión y temperatura – están interrelacionadas físicamente, o sea, que si una cambia entonces una, o ambas, de las restantes también cambiarán. Esto se puede demostrar, de todos modos, con algunos ejemplos simples. Cuando se vierte oxígeno de un cilindro de alta presión a una botella de oxígeno de un planeador, si esto se hace demasiado deprisa, la botella del planeador se enfriará mucho al expandirse rápidamente el oxígeno dentro de ella. Lo mismo puede verse cuando se rellena una bombona de propano. El GLP fluye de la bombona de alta presión y se expande en la bombona de camping vacía, provocando la caída de la temperatura de ésta. El caso inverso se experimenta usando un bombín de bicicleta. A medida que el neumático es inflado, el tubo del bombín es calentado por el aire caliente sufriendo una compresión en su interior. Este proceso donde el aire es enfriado, o calentado, sin pérdida o ganancia de calor es conocido como proceso adiabático. “Adiabático” significa simplemente sin pérdida o ganancia de calor.

LAS TÉRMICAS COMO UN PROCESO ADIABÁTICO
A estas alturas, no es necesario más que una explicación general de térmicas. Virtualmente, desde los primeros días de entrenamiento, la mayoría de los pilotos de vuelo libre tienen una idea de cómo funciona una térmica. Más tarde, en esta serie de artículos daremos más detalles acerca de la formación de las térmicas cerca del suelo.
Los rayos solares pasan, en su mayor parte sin ser absorbidos, por la atmósfera y son absorbidos, o reflejados, por la superficie terrestre. Aquellos que son absorbidos calientan la superficie. Pero el suelo no es calentado uniformemente, al absorber las diferentes superficies más o menos radiación de lo rayos solares que inciden y son calentadas hasta diferentes grados, dependiendo esto de la composición del suelo, la humedad, cobertura vegetal, etc. El aire en contacto estrecho con el suelo es calentado por éste, pero sobre áreas más cálidas es calentado en mayor grado haciéndolo relativamente flotante en relación al aire más frío de su alrededor. Si las condiciones son las apropiadas, este aire se desprenderá de la capa de superficie y comenzará a ascender como una térmica. A medida que la térmica asciende, entra en un aire de menor presión y el aire dentro de ella se expandirá hasta bajar su temperatura e igualar a la de su nuevo entorno. El aire en la térmica sufrirá una expansión adiabática y su temperatura caerá. Ahora bien, si su temperatura sigue siendo mayor que la de su nuevo entorno, seguirá subiendo, expandiéndose y enfriándose más. Dejará de subir sólo después de encontrarse con aire que tenga su misma temperatura.
La razón por la que una térmica es un proceso adiabático se puede ver considerando paquetes individuales de aire que componen la térmica. Excepto cerca de los límites de una térmica, en donde está mezclándose con el aire exterior, cualquier paquete de aire dado estará a la misma temperatura que los paquetes de aire vecinos. A medida que un grupo de paquetes de aire asciende, la presión dentro de cada uno descenderá y con ella la temperatura. De cualquier modo, como todos los paquetes de aire en el grupo estarán a la misma temperatura en cualquier momento dado, el calor no fluirá entre ellas a medida que suben y se enfrían, es decir, cada una de ellas ni ganará ni perderá calor. En consecuencia y por definición, sufren una expansión adiabática.


(Serie Fundamentos de la convección atmosférica de Robert Dorning1 2 3 4 5 6 7)