Холодный воздух опускается вниз

Холодный воздух опускается вниз

Всем известно, что в бане или в сауне самое жаркое место находится прямо под потолком. Горячий воздух уходит вверх в силу своей разряженности, наименьшей плотности, а более плотный холодный воздух опускается вниз за счет собственной тяжести. Но почему же в планетарных масштабах это не так?

Если теплый воздух поднимается вверх, в горах, да и вообще на больших высотах, должны быть вечные тропики, а вместо жары там наблюдается пониженная температура. На самом деле, подобное явление вовсе не является аномалией, оно вполне объяснимо. Достаточно прислушаться к мнениям ученых, чтобы все стало понятным.

Как прогревается планета?

Задаваясь вопросом, как же осуществляется прогрев нашей планеты, многие люди уверенно ответят, что тепло идет от Солнца. Это верно, но стоит понимать, что солнечные лучи падают на поверхность Земли, прогревая ее. Прогреть воздух сам по себе они не могут, слишком мала его плотность и теплопроводность. Нагревается именно поверхность Земли, которая затем отдает тепло воздуху, который передает его в космическое пространство. Утере тепла из атмосферы препятствуют парниковые газы, создающие условия, в которых повышенная температура удерживается близ поверхности планеты. Однако чем выше, тем парниковых газов меньше, и температуры падают.

Температура воздуха и нагрев поверхности

Холодный воздух сверху не может просто вытеснить своей массой теплый – внизу давление выше, потому и плотность воздуха тоже выше, чем в верхних разряженных слоях. Впрочем, движение холодного воздуха вниз и теплого вверх все же наблюдаются – так появляются ветра. Процесс актуален для тех масс воздуха, которые холоднее основных в рамках своего слоя. Воздух в горах может быть холоднее окрестного из-за ледяных шапок, и он может падать вниз – именно так, к примеру, зарождаются цикличные ветры с гор, наподобие бора.

Консультации и решение задач по физике.

[администратор рассылки: Коцюрбенко Алексей Владимирович (Старший модератор)]

Лучшие эксперты в этом разделе

Михаил Александров
Статус: Академик
Рейтинг: 1083
Коцюрбенко Алексей Владимирович
Статус: Старший модератор
Рейтинг: 897
Алексеев Владимир Николаевич
Статус: Мастер-Эксперт
Рейтинг: 851
Перейти к консультации №:

Уважаемые эксперты! Пожалуйста, ответьте на вопрос:

Объясните, пожалуйста, Почему холодный воздух опускается вниз (теплый поднимается). Ясно, что холодный воздух более плотный, и одинаковый объем холодного воздуха тяжелее. Но если рассмотреть одно пространство. Почему там холодный воздух будет скапливаться внизу. Ведь если рассмотреть холодный и теплый воздух с точки зрения отдельных молекул (а не каких-то определенных объемов (и в холодном воздухе эти молекулы не связаны между собой)),- они одинаковые (за исключением их скорости (кин. энергии)), так почему эти молекулы холодного воздуха будут скапливаться внизу и наоборот теплый вверху?

Состояние: Консультация закрыта

Кое в чём Вы действительно правы — с точки зрения отдельных молекул это явление не имеет особого смысла: диффузия обеспечивает эффективное перемешивания даже газов с существенно отличающимися молекулярными массами, не говоря уж о просто разных температурах, а теплообмен через соударение молекул должен легко выровнять температуру. На микроуровне нет никакой тенденции к скапливанию молекул с разной тепловой энергией на разной высоте.

Конвекция существует исключительно на макроуровне — на уровне рассмотрения объемов и потоков газа, являющихся флюидами (то есть движущихся в некоторой степени подобно жидкостям). Для начала здесь придётся избавится от одного упрощения, используемого во многих молекулярно-кинетических моделях — пренебрежения многими эффектами соударения молекул. На самом деле длина свободного пробега при нормальных условиях исчисляется всего-лишь десятками нанометров — и этот фактор и есть тот самый ограничитель диффузии. Сперва рассмотрим несколько отвлечённый пример: если разделить цилиндр перегородкой, заполнить одну часть азотом, а другую угарным газом (у них одинаковая молярная масса — плотность не будет отличаться), а затем убрать перегородку, потребуется довольно много времени, чтобы эти газы в заметной степени смешались по всему объёму ( в отличии от расширения газа в вакуум, происходящего очень быстро. Но если пренебречь соударениями молекул, эти процессы покажутся крайне сходными)

Теперь рассмотрим следующую ситуацию — пусть в помещении находятся 40 кг холодного воздуха. Теперь в некоторой части поместим, например, 10 кг горячего воздуха. Из-за малой длины свободного пробега и ограниченности диффузии он не распространится по помещению со скоростью теплового движения молекул, перемешавшись с холодным. Однако, поскольку фронт давления распространяется со скоростью звука, связанной со скоростью теплового движения молекул, давление по всему объёму помещения будет примерно выровнено практически мгновенно — и более тёплый воздух буден очевидно иметь более низкую плотность.
А теперь ещё один нюанс — давление в помещении не совсем однородно. В гравитационном поле формируется градиент давления, пропорциональный плотности (да, то самое Δp=ρgΔh, или точнее dp/dh=ρg). И это градиент будет отличаться в объёмах воздуха разной температуры, создавая силу Архимеда, выталкивающую тёплый воздух вверх.

Читайте также:  Система охлаждения северного моста

Представим более утрированный пример — пусть горячий воздух изначально находится в очень лёгком пакете с очень большой (но частично сложенной — чтобы он мог свободно менять форму) поверхностью. В данном случае он не будет смешиваться с холодным воздухом — не вызывает сомнений, что пакет с горячим воздухом поднимется к потолку и растечётся по нему, насколько это позволяет площадь поверхности (либо по всему потолку, если она достаточна). В краткосрочной перспективе диффузия достаточно ограничена, чтобы горячий воздух повёл себя точно так же и без пакета (конечно, на границе движущихся воздушных масс произойдёт существенное перемешивание, но значительная часть горячего воздуха всё-равно окажется у потолка, не смешавшись с холодным).

Конечно, здесь можно возразить, что в долгосрочной перспективе температура должна выровняться за счёт диффузии и теплообмена. Да, если речь о разовом добавлении объёма горячего воздуха.
А теперь рассмотрим реалистичный сценарий помещения зимой:

  • через окно на улицу выходит небольшой поток тёплого воздуха, а вместо него в помещение просачивается поток холодного воздуха
  • этот холодный воздух имеет более высокую плотность и опускается к полу, не успев полностью смешаться с воздухом в помещении
  • тем временем, воздух вокруг батареи отопления нагревается
  • этот горячий воздух имеет более низкую плотность и образует поднимающийся к потолку поток
  • диффузия и теплопроводность стремятся выровнять температуру
  • но зоны горячего и холодного воздуха постоянно пополняются и вертикальный градиент температуры в помещении стабилизируется, а не исчезает

А теперь представим обогреватель со встроенным вентилятором. Поток воздуха от него не только менее горяч при той же мощности (просто из-за большего проходящего объёма), но и в значительной степени направлен горизонтально, успевая распространиться по помещению и смешаться с более холодным воздухом внизу. И благодаря этому отличию вертикальный градиент температуры в помещении практически исчезает.

В общем, данный эффект действует вопреки молекулярно-кинетическому процессу диффузии, но он существует поскольку диффузия ограничена столкновениями молекул, что позволяет образовать зоны и потоки воздуха с различной температурой.

+2

Рис. 1. Условно показана молекула кислорода на рычажных весах (детские качели) при разных температурах окружающей атмосферы. a – из наблюдений; b – по Эйнштейну.

Зададимся вопросом в стиле Якова Перельмана: какой воздух тяжелее холодный или теплый? После этого посмотрим ответы на форуме в интернете (ответы обозначены цифрами): 1) теплый; 2) холодный;3) холодный конечно; 4) тёплый воздух поднимается вверх, он легче; 5) холодный, поэтому он внизу всегда; 6) конечно теплый!; 7) тяжелей холодный, он опускается вниз, а теплый поднимается, значит легче; 8) тяжелее влажный воздух!; 9) холодный, вспомни, когда зимой открываешь форточку; 10) это и в садике знают, что тёплый легче, поэтому вверх стремится.

На тяжесть холодного воздуха ставок гораздо больше.

Мы народ северный и нас на таком вопросе не проведешь, открывая зимой форточку, наблюдаем, как холодный воздух буквально врывается в комнату, падает вниз к нашим ногам и расстилается по полу комнаты. А может он хочет нам поклониться за широкое гостеприимство? Не знаю, но это подтверждается визуально, когда холодный воздух, увлекая частицы пара, превращает их в видимый шлейф при конденсации. После чего выносится вердикт: холодный воздух тяжелее теплого, поэтому он устремляется вниз. Очередная зима, подкрепляет наши наблюдения и укрепляет правоту сказанного. Объясняем мы это плотностью – холодный воздух более плотный, теплый более разреженный.

Иногда для объяснения притягивают влажность воздуха. Поскольку, в зимний период на улице влаги больше, то влажный воздух должен весить якобы больше. Воздух – это смесь газов, состоящая на три четверти из азота и почти на четверть из кислорода и некоторого количества водяного пара. Количество остальных газов пренебрежимо мало, их не учитываем. Средняя молекулярная масса воздуха 29, молекулярная масса водяного пара 18. Об этом говорит и, упомянутый выше, Я. Перельман: «При одинаковом давлении и температуре кубометр влажного воздуха не тяжелее, а легче, чем кубометр сухого воздуха» [1].

Читайте также:  Подставки под наушники из дерева

Для выяснения сути данного явления в бытовых условиях можно пойти в баню, и пока не вспотели, понаблюдать за движением пара. Кто в баню не ходит пусть поставит эксперимент на своей кухне и нагреет кастрюлю с водой. Как только кастрюля закипит, пар с завихрениями устремится вверх, под купол вытяжной вентиляции. В бане этот процесс выражен еще более контрастно, первый ковш воды, брошенный на раскаленные камни, выбрасывает вверх белый шлейф пара. Мы видим восходящий паровой поток, который буквально вонзается в потолок, растекается по нему, стараясь его приподнять, и, постепенно охлаждаясь, начинает оседать, а затем конденсироваться на холодных металлических трубах.

По сравнению с окружающим воздухом пар перегрет, поэтому его молекулы более энергонасыщены.

Можно ли доверять нашим органолептическим органам? Для начала необходимо разобраться, почему холодный воздух уплотняется?

2. Почему плотность холодного воздуха больше чем теплого?

На самом ли деле теплый воздух легче холодного. Давайте проверим это утверждение и взвесим две молекулы кислорода теплую, при температуре +20º С и холодную, при температуре 0º С. Но как это сделать, на каких весах измерить разницу веса между молекулами? Судя по рисунку, автору удалось это сделать с помощью рычажных весов (детской качели).

Трудность заключается еще и в том, что мы не сможем в земных условиях точно оценить вес даже, заключенных в оболочку, достаточно больших одинаковых объемов воздуха. Оценке мешает эффект плавучести (статья «Гравитационная температура»). Остается одно, разобраться с этим явлением с энергетической точки зрения. Если мы возьмем молекулы одного и того же газа, но при разных температурах, то понятно, что молекула, имеющая более высокую температуру, будет более энергонасыщена и будет иметь более высокую скорость перемещения.

А за счет какой энергии вообще молекулы перемещаются? Классическая молекулярно-кинетическая теория на этот вопрос не дает вразумительного ответа. Этот физический процесс был основательно исследован в главе «Броуновское движение». Молекулы двигаются благодаря энергии импульсов придачи «вперед за снарядом». Под действием этих импульсов электромагнитного крафонного (краснофотонного) излучения, молекулы пара стремительно разлетаются в разные стороны, но в большей степени вверх (область пониженного давления), тем самым, разреживая и освобождая пространство, в которое устремляется новые молекулы. Те, в свою очередь, поступают как первые. Тем самым мы видим восходящий поток пара. Этот процесс в динамике идет по нормали до первой преграды – потолка.

Попутно еще один вопрос: за счет чего уплотняется холодный воздух?

Конвективные перемещения осуществляются за счет разности давлений, разности температур и гравитации. Холодный воздух из открытой форточки непрерывным потоком падает на пол нашей комнаты. Да, температура холодного воздуха ниже, чем теплого и что из этого следует? Ранее было выяснено, что гравитация квантуется, т.е. передается импульсами. Количество этих импульсов гравитационного излучения земли и нашего пола распределяется по всей поверхности примерно одинаково. Тогда остается излучение самих молекул воздуха. Молекулы имеют маленькую массу и охотно отзываются на собственный импульс придачи, после чего устремляются в том же направлении отстрела этого импульса. Статистически у теплых молекул частота излучения выше, чем у холодных. Они чаще отстреливают свои импульсы в пространство, где меньше давление, поэтому теплые молекулы летят в сторону потолка, освобождая место холодным. Получается, за счет этого электромагнитное, гравитационное излучение земли подтягивает к полу в большей степени холодный воздух, соответственно, теплый выталкивается вверх. Холодные молекулы имеют меньшую скорость, поэтому находятся в более плотном состоянии. Вот по такой технологии идет конвекция в любой газовой среде.

Теплый воздух в комнате выходит из температурного равновесия и постепенно внедряется в ряды холодного, отдавая часть своей теплоты.

Читайте также:  Xiaomi редми note 3

3. Эйнштейн против Клапейрона и Менделеева

Рис. 2. На рисунке условно показано равное количество молекул азота (1) и молекул кислорода (2), находящихся при разных температуре и занимающих не равные объемы. a – при высокой температуре; b – при низкой температуре.

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 (рис. 2а).

А теперь для доказательства равенства масс молекул, находящихся под разным тепловым потенциалом, я призвал на помощь два уравнения из классической физики.

1) уравнение состояния для идеального газа Клапейрона-Менделеева.

Где, m – масса газа, P – давление, V – объем, M – молярная масса, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура.

Замечание, сейчас принято обозначать температуру греческой буквой Θ (Тэта). Чтобы не нарушать написание известной формулы оставим символ Т.

Из (2) видно, что при повышении температуры, увеличивается V (при постоянном давлении P). При этом масса газа (воздуха) остается постоянной.

2) Уравнение Эйнштейна. Энергия излучения связана с его массой.

Подставив в формулы (3, 4) реальные значения, можно убедиться без лишних доказательств, что кубовый объем газа, имеющий меньшую энергию Е (температуру и скорость молекул) будет иметь и меньшую массу.

Тогда можно заключить, что холодный воздух легче теплого, и должен подниматься вверх, а он падает вниз. Вот где нелогичная конвекция и Эйнштейн против Клапейрона и Менделеева.

В чем же дело? А дело в серьезном разбирательстве, связанном со знаменитой формулой. Если в расчете использовать формулу (3), то килограммовый куб воздуха будет иметь энергию 9·10 16 Дж. Данная величина приблизительно равна электрической энергии 3∙10 10 кВт∙ч! Такое количество электроэнергии потребляют США за один день! Невероятно, но где энергия? А ее, увы, не видно.

Этому разбирательству посвящена отдельная статья под названием: «Энергия покоя». А сейчас, чтобы выбраться из создавшейся коллизии введем в данное уравнение энергетический коэффициент GE.

T – температура тела в Кельвинах

Tmax – максимально возможная температура вещества в природе.

Используя в расчетах уравнение (7) можно убедиться, что при прочих равных условиях, массы холодного и теплого воздуха будут равны. Такой же расчет дает по формуле (2) Клапейрона-Менделеева и противостояние с Эйнштейном прекращается. И что самое главное, энергия газового куба снижается до удобоваримого значения, на десять порядков! Все расчеты привели меня к заключению, что уравнение Эйнштейна не общее, а частное, для максимального значения температуры при GE=1.

Электромагнитное, крафонное излучение Земли постоянно мониторит пространство и подтягивает атмосферу с паром вниз, но теплый воздух всегда оказываются наверху. Это происходит потому, что холодные молекулы реже отстреливают свои крафоны придачи в окружающее пространство из-за их меньшей энергонасыщенности.

Теплый воздух в комнате находится в термодинамическом равновесии, поэтому его молекулы продолжают хаотично двигаться, постепенно внедряясь в ряды холодного, отдавая часть своей теплоты.

Несмотря на то, что холодный воздух находится всегда внизу, масса теплых и холодных молекул остается одинаковой.

Конвективные перемещения в жидкости можно объяснить аналогичным способом.

Объемная плотность газа существенно зависит от температуры газа.

Как было указано выше, более горячий газ устремляется вверх не из-за его легкости, а по причине поднятия молекул за счет крафонного излучения. По сути, о какой легкости или тяжести мы говорим, каждая молекула находится во взвешенном состоянии, но не в какой-то среде, а фактически, в вакууме. Равные по массе и одинаковой температуре молекулы будут иметь одинаковый объемный вес. Известно, если охладить кубометр воздуха, то получим 1,2 литра в жидком состоянии. Отсюда вопрос: какое вещество занимает 998,8 литра этого объема воздуха, если мы уберем энергию расширения, то есть теплоту?!

  1. Перельман Я.И., Знаете ли вы физику? «ТЕРРА», М. 2007
Ссылка на основную публикацию
Фото на зеленом фоне хромакей
Зеленый фон или «хромакей» применяют при съемках для последующей его замены на любой другой. Хромакей может быть и другого цвета,...
Файловая система для операционной системы windows
Вы знаете, что Windows Phone использует NTFS? Почему большинство карт памяти и почти все USB-накопители по-прежнему используют старый-добрый FAT? Почему...
Файлы в карантине что с ними делать
содержит все нейтрализованные вредоносные программы в корзине в течение определенного периода времени до того момента, как применит к ним соответствующие...
Фото на скайп для пацанов
Крутые фотографии пацанов на аву: фото без лица, в маске анонима, крутые пацаны с битами и с пистолетами. Крутые фото...
Adblock detector