Estabilidad atmosferica

[gilbert bullones]

ESTABILIDAD ATMOSFÉRICA
Una de las características más importantes del aire estable es que, si
es forzado a desplazarse hacia arriba o hacia abajo, tiende a retornar
a su posición inicial en cuanto cesa la fuerza generadora de dicho
movimiento.
El gradiente adiabático seco es mayor que el gradiente vertical de
temperatura (GAS>GVT): si una masa de aire es forzada a subir, su
temperatura disminuirá más deprisa que la del aire circundante
inmóvil, por lo cual de manera natural tenderá a descender
(subsidencia). Produce una subida de presión en superficie y la
divergencia del aire, es decir, tiende a escapar, se expande desde el
centro hacia el exterior. Estas áreas de alta presión se denominan
anticiclones.
La palabra subsidencia se usa para designar un movimiento hacia abajo
de gran extensión en la atmósfera. Estos movimientos son muy
importantes, aunque sus velocidades son pequeñas ( 2 a 5 cm/seg). Por
ejemplo, el calentamiento adiabático correspondiente a un descenso de
unos 500 m bastará para evaporar las gotas de agua de una nube de
tamaño medio. Cuando hay subsidencia , ésta afecta a la mayor parte de
la columna de aire bajo la tropopausa, de lo que resulta que las nubes
se disuelven con frecuencia en todos los niveles. El cielo despejado
que pone fin a un período de lluvia, normalmente se debe a subsidencia
en una gran extensión.
Efecto Joule-Thompson (estrangulamiento)
El diseño para este experimento se muestra en la figura: consiste en
hacer pasar un gas, inicialmente a temperatura y presión , a través
de una membrana porosa que le permite descender su presión a un
valor , con el consiguiente cambio de temperatura. El proceso se
lleva a cabo en recipientes aislados térmicamente
Del exterior y es relativamente lento, debido a que la membrana
dificulta el paso del gas, por lo que suele aproximarse esta situación
mediante una sucesión de procesos cuasiestáticos.
La función de ``estrangulamiento'' de la membrana porosa se conseguía
en la experiencia original mediante láminas de algodón, aunque en la
actualidad este dispositivo suele fabricarse de material cerámico.
Como el proceso se lleva adelante aislado térmicamente, los cambios en
la energía interna se deberán solamente al trabajo realizado sobre el
sistema:





es decir que el proceso se realiza a entalpía constante. Nuevamente,
ideamos una sucesión de procesos cuasiestáticos (en este caso,
reversibles) que tenga los mismos estados iniciales y finales que el
proceso real. De esta manera podemos escribir



Donde se ha omitido el término pues el sistema es cerrado. Como
deseamos relacionar los saltos térmicos con las variaciones de
presión, tomamos y como variables independientes, de modo que



La última derivada puede reemplazarse por , ya que, análogamente a lo
que hicimos en la sección anterior, si escribimos un diferencial de la
energía libre de Gibbs para un sistema simple general,



la condición de que sea un diferencial exacto exige



Que es otra de las llamadas relaciones de Maxwell. Sustituyendo esta
identidad en la expresión anterior para , tenemos



De donde



El coeficiente que acompaña a se denomina coeficiente diferencial de
Joule-Thomson. Para el caso de un gas ideal,



Lo que significa que los gases ideales tampoco se enfrían mediante
este procedimiento. Además, como . Estos resultados podían preverse
reescribiendo el coeficiente diferencial de Joule-Thompson como



Recordando que para un gas ideal



Es evidente que se anula.
Considerando un gas real como fluido de Van der Waals, se puede ver
que para bajas temperaturas el coeficiente diferencial de Joule-
Thompson es positivo hasta que se anula al llegar a la denominada
temperatura de inversión . Por encima de este valor el coeficiente
cambia de signo, dejándose esta verificación como ejercicio al
esmerado lector. Este cambio de signo implica que cuando , a bajas
temperaturas un gas real se enfría mediante este dispositivo.
Obviaremos aquí la obtención de una estimación para el coeficiente de
Joule-Thompson en algún caso particular, aunque mencionaremos que en
diversos gases se verifica que alrededor de 300 K, por debajo de la
temperatura de inversión, el valor de este coeficiente es de
aproximadamente 10 K/Pa para una presión cercana a la atmosférica
(10 Pa). Si bien este valor parece pequeño, es fácil lograr
diferencias de presión importantes, con lo cual, el enfriamiento
mediante este método resulta muy eficiente, y es el utilizado para
lograr la licuefacción de gases a nivel industrial.