¿Por qué el aire caliente pesa menos que el aire frío? ¿Por qué cambia la densidad?

Decimos que el aire caliente pesa menos, pero la misma cantidad de aire, la misma cantidad de moléculas, siempre tiene la misma masa, independientemente de la temperatura. El peso es la fuerza hacia abajo que ejerce una masa, debido a la gravedad. El peso es el resultado neto de la atracción gravitacional de la masa y la fuerza de flotación debido al desplazamiento del aire circundante. Para la mayoría de las cosas, la fuerza de flotación es pequeña: ¡una taza de agua no desplaza mucho aire! Pero a medida que el aire se calienta, se expandirá, en la atmósfera, un volumen discreto de aire no está limitado por el aire que lo rodea, todo el aire circundante está a la misma presión, por lo que si, por ejemplo, un metro cúbico en particular está más caliente el aire circundante se alejará para que pueda expandirse. Todavía tiene la misma masa, pero ahora ocupa más de un metro cúbico. La fuerza de flotación tenderá a hacer que ese metro cúbico de aire más cálido flote sobre el aire más denso que lo rodea, al igual que un recipiente lleno de aire flotará en agua que tenga una densidad media mayor.

¿Por qué el aire circundante se alejaría del metro cúbico que es más cálido? Las moléculas de aire en el metro cúbico más cálido se mueven más rápido (eso es lo que significa la temperatura: moléculas que se mueven más rápido). Entonces, el resultado neto de las colisiones entre las moléculas de aire en el límite frío-cálido es una fuerza externa. Sin embargo, esa fuerza externa está equilibrada por una fuerza interna no uniforme: la presión en la atmósfera aumenta más cerca del suelo. Por lo tanto, es más fácil para el aire calentado empujar el aire circundante hacia arriba, y hay más moléculas de aire más frío empujando hacia adentro en la parte inferior a medida que el aire calentado se expande, por lo que toda la masa de aire calentado se mueve hacia arriba hacia un lugar de igual densidad (independientemente de la temperatura de ese lugar).