Нас оточує велика кількість явищ, яких ми давно звикли. Причому настільки, що нерідко не питаємо, чому так, а не інакше, або що це означає. Наприклад, всі знають, що тепле повітря легше за холодне і від цього піднімається вгору. Але що означає “легше”?
Тобто просте начебто питання насправді таким не є. І навіть викликає гарячі суперечки.
Справа в обсязі, а не в масі
Насправді, звичайно, говорити про те, що гаряче повітря “легше” за холодне, дещо некоректно. Річ у тім, що з підвищенням температури газу швидкість молекул наростає. Отже, відстань між ними теж збільшуватиметься. А це означає, що гаряче повітря займатиме більше простору.
Таким чином, один і той же об'єм газу в нагрітому стані менше тиснутиме на квадратний сантиметр або будь-яку іншу одиницю поверхні. Цим і пояснюється його “легкість”. Але за рахунок чого таке стало можливим?
Від температури залежить густина газу. Вгору постійно прагнутиме той, у якого щільність менша. Або, якщо перефразувати, у кого за рівної маси більше обсяг. Це стосується всіх тіл і поширюється на гази теж.
Молярно-кінетична теорія газів
Питання з легким гарячим повітрям добре пояснюється цією теорією. Середню кінетичну енергію молекул визначає температура. Залежність проста: що вища температура, то вища кінетична енергія молекул газу. І це означає, що молекули починають рухатися швидше. І в результаті цього процесу відстань між ними зростає. За рахунок цього густина газу і зменшується, оскільки збільшується обсяг.
Однак земна гравітація заважає молекулам газу в процесі розігріву вирушати у подорож до космосу. Тобто, на повітря діє кілька сил. І в той час, як одні “виштовхують” його при нагріванні на поверхню, інші притягують вниз.
Чи все очевидно?
Здається, що для розуміння процесів, що відбуваються з теплим та холодним повітрям, достатньо шкільного курсу знань. Однак якщо почати розбиратися в тому, що відбувається глибше, виникає чимало цікавих питань. Наприклад, вище йшлося про кінетичну енергію у молекул. Але звідки вона взагалі береться?
Рух молекул пов'язані з енергією імпульсу, що змушує їх прагнути снарядами. Наприклад, якщо подивитися на пару, то на неї впливає червонофотонне випромінювання. Воно імпульсами і задає рух. У результаті розріджений газ починає прагнути в область, де тиск не такий високий, як унизу, а щільність менше. І цей рух зберігатиметься доти, доки потік повітря не зустріне перешкоди або доки він не охолоне.
Чому тепле повітря рухається нагору?
Повітря нагрівається, розширюється, після чого прямує вгору. У фізиці це називається конвективних переміщень. У реальному житті на рух повітряних мас впливає не один фактор, а ціла низка. Зокрема, це різниця температур, показників тиску та гравітаційна сила.
Конвекція
Допустимо, якщо ви відкриєте кватирку взимку, то звідти до нас почне потрапляти холодне повітря. Його температура помітно нижча за температуру тих мас, які знаходяться в приміщенні. Отже, взимку різницю між потоками повітря можна навіть спостерігати: холодне повітря буквально стелиться по підлозі.
Молекули повітря мають випромінювання. Воно зростає зі збільшенням температур. У процесі активності молекули відстрілюють імпульси, причому сприятливі умови для такої активності створюються в області зниженого тиску. Тобто нагорі.
Через війну теплі молекули повітря рухаються вгору. А їхнє місце займають холодніші. Тобто завдяки гравітації холодне повітря опускатиметься вниз. Саме так і працює конвекція.
Навіщо ці знання потрібні практично?
Розуміння конвекції дозволяє створювати системи опалення. Розібратися з мікрокліматом у будинку без подібних знань або не вийшло б. Головне – згадати фізику.
Источник: zefirka.net
