Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

RFpro.ru: Консультации по физике

Подписаться Бесплатная «Серебряная» новостная рассылка . Подписчиков 704 RSS
←   Сентябрь 2018   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Открыта: 14-07-2005

Автор
Калашников О.А.

Статистика

704 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

RFpro.ru: Консультации по физике


РАССЫЛКИ ПОРТАЛА RFPRO.RU

Лучшие эксперты в разделе

Лангваген Сергей Евгеньевич
Статус: Академик
Рейтинг: 134
∙ повысить рейтинг » 		epimkin
Статус: Практикант
Рейтинг: 56
∙ повысить рейтинг » 		Konstantin Shvetski
Статус: Профессор
Рейтинг: 42
∙ повысить рейтинг »

∙ Физика

Номер выпуска:1949
Дата выхода:11.09.2018, 17:45
Администратор рассылки:Roman Chaplinsky / Химик CH (Модератор)
Подписчиков / экспертов:102 / 53
Вопросов / ответов:1 / 1

Консультация # 193519: 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 холодн...

Консультация # 193519:

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?

Дата отправки: 06.09.2018, 17:38
Вопрос задал: erokhin.serzh2018 (Посетитель)
Всего ответов: 1
Страница онлайн-консультации »

Консультирует Roman Chaplinsky / Химик CH (Модератор):

Здравствуйте, erokhin.serzh2018!

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 пример но 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.

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.

Консультировал: Roman Chaplinsky / Химик CH (Модератор)
Дата отправки: 06.09.2018, 21:33
Рейтинг ответа:

НЕ одобряю +1 одобряю!

Оценить выпуск | Задать вопрос экспертам

главная страница  |  стать участником  |  получить консультацию
техническая поддержка

Дорогой читатель!
Команда портала RFPRO.RU благодарит Вас за то, что Вы пользуетесь нашими услугами. Вы только что прочли очередной выпуск рассылки. Мы старались. Пожалуйста, оцените его. Если совет помог Вам, если Вам понравился ответ, Вы можете поблагодарить автора - для этого в каждом ответе есть специальные ссылки. Вы можете оставить отзыв о работе портале. Нам очень важно знать Ваше мнение. Вы можете поближе познакомиться с жизнью портала, посетив наш форум, почитав журнал, который издают наши эксперты. Если у Вас есть желание помочь людям, поделиться своими знаниями, Вы можете зарегистрироваться экспертом. Заходите - у нас интересно!
МЫ РАБОТАЕМ ДЛЯ ВАС!
В избранное