uCrazy.ru
Нас окружает большое количество явлений, к которым мы давно привыкли. Причём настолько, что нередко не задаёмся вопросами, почему так, а не иначе, или что это означает. Например, всё знают, что тёплый воздух легче холодного и от этого поднимается вверх. Но что означает “легче”?
То есть простой вроде бы вопрос на самом деле таковым не является. И даже вызывает горячие споры.
Дело в объёме, а не в массе
На самом деле, конечно, говорить о том, что горячий воздух “легче” холодного, несколько некорректно. Дело в том, что по мере повышения температуры газа скорость молекул нарастает. Следовательно, расстояние между ними будет тоже увеличиваться. А это означает, что горячий воздух станет занимать больше пространства.
Таким образом, один и тот же объём газа в нагретом состоянии станет меньше давить на квадратный сантиметр или любую другую единицу поверхности. Этим и объясняется его “лёгкость”. Но за счёт чего такое стало возможным?
От температуры зависит плотность газа. Наверх постоянно будет стремиться тот, у которого плотность меньше. Или, если перефразировать, у кого при равной массе больше объём. Это касается всех тел и распространяется и на газы тоже.
Молярно-кинетическая теория газов
Вопрос с лёгким горячим воздухом хорошо объясняется этой теорией. Среднюю кинетическую энергию молекул определяет температура. Зависимость простая: чем выше температура, тем выше кинетическая энергия молекул газа. А это означает, что молекулы начинают двигаться быстрее. И в результате данного процесса расстояние между ними возрастает. За счёт этого плотность газа и уменьшается, поскольку увеличивается объём.
Однако земная гравитация мешает молекулам газа в процессе разогрева отправляться в путешествие в космос. То есть на воздух действует несколько сил. И в то время как одни “выталкивают” его при нагревании на поверхность, другие притягивают вниз.
Так ли всё очевидно?
Кажется, что для понимания процессов, которые происходят с тёплым и холодным воздухом, достаточно школьного курса знаний. Однако если начать разбираться в происходящем глубже, то возникает немало интересных вопросов. Например, выше говорилось о кинетической энергии у молекул. Но откуда она у них вообще берётся?
Движение молекул связано с энергией импульса, которая заставляет их стремиться за снарядами. Например, если посмотреть на пар, то на него воздействует краснофотонное излучение. Оно импульсами и задаёт движение. В итоге разреженный газ начинает стремиться в область, где давление не такое высокое, как внизу, а плотность меньше. И это движение будет сохраняться до тех пор, пока поток воздуха не встретит преграду или пока он не остынет.
Почему тёплый воздух движется наверх?
Воздух нагревается, расширяется, после чего устремляется наверх. В физике это носит название конвективных перемещений. В реальной жизни на движение воздушных масс влияет не один фактор, а целый ряд. В частности, это разница температур, показателей давления и гравитационная сила.
Допустим, если вы откроете форточку зимой, то оттуда к нам начнёт попадать холодный воздух. Его температура заметно ниже температуры тех масс, которые находятся в помещении. Так что зимой разницу между потоками воздуха можно даже наблюдать: холодный воздух буквально стелется по полу.
Молекулы воздуха обладают излучением. Оно возрастает по мере увеличения температур. В процессе активности молекулы как бы отстреливают импульсы, причём благоприятные условия для такой активности создаются в области сниженного давления. То есть наверху.
В итоге тёплые молекулы воздуха движутся наверх. А их место занимают более холодные. То есть благодаря гравитации холодный воздух будет опускаться вниз. Именно так и работает конвекция.
Зачем эти знания нужны на практике?
Понимание конвекции позволяет создавать системы отопления. Разобраться с микроклиматом в доме без подобных знаний в противном случае бы не получилось. Главное – вспомнить физику.
Почему подвал самое холодное место, разбираемся вместе
Подвал становится холодным местом, потому что по законам физики, теплый воздух легче, чем холодный, он всегда стремится вверх. Более тяжелый и плотный холодный воздух опускается вниз, он и скапливается в подвале. Летом все этажи дома получают тепло от крыши, нагреваемой лучами солнца. Естественно, верхние этажи прогреваются сильнее, чем нижние, а до подвала тепло вообще не доходит.
Почему горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается
Объясняется это тем, что в случае разогрева газообразного вещества его атомы ускоряются и при соударении разлетаются на все большие расстояния друг от друга. Газ увеличивается в объеме, количество частиц на единицу его объема уменьшается, поэтому нагретый воздух становится легче и концентрируется в самой высокой точке помещения — под потолком.
Теплый воздух имеет меньшую плотность и поднимается вверх, холодный опускается вниз
В замкнутом помещении происходит непрерывно конвекция, когда теплые потоки воздуха поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз, чем глубже подвал, тем холоднее в нем воздух, так как весь холодный воздух опускается вниз.
Обычно объясняют, что холодный воздух выталкивает теплый и тот поднимается вверх. На самом деле никто никого не толкает и не выталкивает. Весь воздух подвержен притяжению Земли и эта энергия его подпитывает. В зависимости от энергонасыщенности происходит температурная сегрегация по высоте расположения. Молекулы теплого воздуха имеют большую скорость перемещения, они разлетаются на большие расстояния, происходит больше столкновений между ними и они занимают больший объем
Если теплый воздух стремится вверх, то почему на горах лежит снег? от куда он там?
воздух не нагревается солнечными лучами, ими нагревается земля, а уже от нее нагревается воздух, поэтому в атмосфере существует градиент температуры — температура в тропосфере понижается на 0,65С на каждые 100 м. на средней высоте границы вечных снегов (4000м) температура на 26 градусов ниже чем на уровне моря. теплый воздух поднимаясь вверх охлаждается по двум причинам: 1.он попадает в область более низкой температуры, он расширяется (при расширении газы охлаждаются) , т. к. при равной толщине каждый более высоко лежащий слой воздуха имеет больший объем. процес поднятия продолжается до тех пор пока температуры поднимающегося и окружающего воздуха не выравняются. обычно это происходит чуть выше уровня образования облаков. одновременно существует встречное движение холодного воздуха к земле.
иди лучше в школу а не тут сиди
Теплый воздух вверх, снег вниз — вот потому-то на солнце тепло, а в горах — снег.
Давление, чем ниже давление, тем холоднее
теплый воздух потому что его нагревает земля а землю солнце
вверху воздух холодный и к тому же снег отлично отражает лучи.
тёплый воздух идёт вверх охлаждается влага переходит в осадки и т. д.
паиамушто облака холодные а горы ВЫСАКО и горы точна не знаю но вроде халодные ОТВЕТ: облака привращаяца в снек а так как горы холодные темпиратура удержывает снек .проще прастова
Если мяч подкинуть, при подъеме вверх его скорость будет постепенно уменьшаться.
По той же причине теплый воздух, поднимаясь вверх, охлаждается. Потому что совершает работу против сил тяжести. И ещё излучает в космос инфракрасное излучение, отчего тоже охлаждается
Подъём тёплого воздуха
Каждому из нас приходилось наблюдать явление подъёма тёплого воздуха вверх. Это – и подымающийся дым над костром, и отклоняющаяся вверх пламя спички, и тепловой поток над газовой горелкой.
Подъём тёплого воздуха вверх – очень важное природное явление. Подтвердим сказанное несколькими примерами.
Циркуляция воздуха внутри помещения. Тёплый воздух от отопительных батарей поднимается вверх, смещается к холодным стенам, охлаждается у них, спускается вниз и возвращается снова к батареям.
Горение. Горячие продукты горения поднимаются вверх, а снизу к пламени устремляется обогащённый кислородом свежий воздух. Если бы продукты горения не уходили от пламени, они перекрывали бы доступ к пламени кислорода, необходимого для горения.
Дыхание. Выдыхаемый тёплый воздух уходит вверх и обеспечивает приток свежего воздуха. Не будь этого, и мы задыхались бы от недостатка кислорода.
Летний дождь. В жаркий летний день нагретый воздух, обогащённый паром, устремляется вверх; там он охлаждается; пар превращается в туман, тоесть в тучу; из тучи начинают выпадать капли дождя.
Круговорот воды на планете. Тёплый влажный воздух экваториальных морей и океанов поднимается вверх, разносится ветром по всей планете, охлаждается, и из него выпадает дождь. Дождевая вода ручьями и реками возвращается снова в моря и океаны.
Полёт воздушных шаров. Пламя горелки согревает воздух внутри шара, и этот нагретый воздух увлекает шар вверх.
В основе явления – подъёма тёплого воздуха вверх – лежат те же основные законы Природы: движения (в данном случае тепловые) создают пустоту и пустота вытесняется под уклон удельного давления среды (атмосферы). Движения и уклон – главные факторы явления.
На космической станции нет естественного уклона удельного давления воздуха, и поэтому там нет само собой возникающего перемешивания воздуха. Чтобы перемешивать воздух, на станциях работают вентиляторы. Иначе космонавты задыхались бы в собственном выдыхаемом воздухе.
Рассмотрим усилие подъёма F, создаваемое тёплым воздухом. Оно имеет следующую зависимость от уклона удельного атмосферного давления u и от объёма дополнительного вакуума ∆g, создаваемого тепловыми движениями:
В свою очередь объём создаваемого вакуума Δg определяется как
где E – энергия нагрева; p – удельное атмосферное давление.
В случае с тепловыми воздушными шарами теплота E образуется от сгорания топлива (газа) и определяется как
где q – удельная теплота сгорания газа; I – инерция сгоревшего газа.
Произведём расчёт теплового воздушного шара. Зададим усилие его подъёма F = 1000 сл (подъём груза весом 100 килограмм).
Удельное атмосферное давление p = 100700 уд.
Уклон этого давления u = 12 укл.
Объём дополнительного вакуума (увеличение объёма шара):
Требуемая энергия нагрева:
Удельная теплота сгорания газа природного q = 4,5*10 7 дж/ин.
Произведённый расчёт – для идеальных условий. В действительности тепловой воздушный шар постоянно охлаждается, и для поддержания требуемой температуры газа внутри него приходится постоянно подогревать воздух; горелку не выключают.
Объём шара не имеет принципиального значения. Он важен только в том смысле, что при большом объёме удержать тепло внутри шара легче. Если же объём шара вообще мал, то создать внутри него дополнительный вакуум объёмом 83 кбм просто невозможно.
Пусть диаметр воздушного шара d = 10 м.
Определим температуру воздуха в нём при подаче на него тепловой энергии E = 8,39*10 6 дж.
Сначала определим инерцию воздуха внутри шара:
где ρ = 1,22 пин – плотность инерции воздуха.
Учитывая теплоёмкость воздуха
определим повышение температуры ΔT нагретого воздуха в шаре по формуле
Если окружающая температура воздуха равна 20 градусам, то температура воздуха в воздушном шаре диаметром 10 метров должна составлять
