Почему горячий воздух движется вверх?

[Munin]

schoolboy в сообщении #801638 писал(а):

Думаю, безнадежное дело выводить из микроскопического описания поведение системы, в котором принципиальную роль играет «очень макроскопическая» гравитация.

А это ничо так, что эта "очень макроскопическая гравитация" даёт, например, на микроскопическом уровне распределение Больцмана, и всё с этим окей?

schoolboy в сообщении #801638 писал(а):

Написать уравнения не слишком сложно

а вот вывести их из первых принципов...

[Maslov]

(Оффтоп)

Меня почти с самого детства мучали два физических вопроса:
1) как возникает притяжение?
2) почему теплый воздух поднимается наверх?

На первый вопрос ответ на форуме я получил: post309372.html#p309372

Теперь если и со вторым что-то прояснится, вообще здОрово будет

[Munin]

(Оффтоп)

Maslov в сообщении #801721 писал(а):

На первый вопрос ответ на форуме я получил: post309372.html#p309372

Вы серьёзно называете это "получил ответ"? Хм-м-м...

[schoolboy]

Munin в сообщении #801698 писал(а):

а вот вывести их из первых принципов...

Я не очень понимаю, что значит из первых принципов. При выводе гидродинамических уравнений рассматривают дифференциальный объем, параметры для него – коэффициент теплового расширения, теплопроводность, вязкость, разумеется, можно вывести из МКТ, но это уже макроскопические параметры. Попыток как-то вывести напрямую из МКТ уравнения, описывающие конвекцию, мне не известны. Но я не утверждаю, что это невозможно. Если Вы не видите в этом затруднений – валяйте, Ваш труд могут оценить Нобелевской премией.

[Munin]

schoolboy в сообщении #801739 писал(а):

Я не очень понимаю, что значит из первых принципов.

Из молекулярной статистики и кинетики.

schoolboy в сообщении #801739 писал(а):

Попыток как-то вывести напрямую из МКТ уравнения, описывающие конвекцию, мне не известны.

Вот именно. А вы сразу скачете к этим уравнениям. Хотя вопрос ТС был на уровне МКТ.

[Vladimir-80]

Рассмотрим воду, налитую в бензин, например. Когда вода опускается вниз - это система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией. Может и конвекцию с этой позиции рассмотреть полезно будет? Или это недостаточно "от печки"?

[Denis Russkih]

Лично мне всегда казалось, что горячий воздух улетает вверх потому, что холодный воздух опускается вниз и вытесняет горячий. :)

В невесомости, насколько мне известно, с конвекцией проблемы... Из этого следует, что сила тяжести играет двоякую роль. Хотя она тянет вниз горячий воздух, мешая ему взлетать, она также тянет вниз и холодный воздух, что способствует конвекции. И этот эффект гораздо сильнее. У медленно летящих молекул меньше шансов одолеть притяжение и забраться куда-то высоко, поэтому они скапливаются внизу.

Быстрые молекулы горячего воздуха оказываются внизу "зажаты" между медлительными молекулами холодного воздуха. Естественно, быстрые молекулы при первой же возможности покидают эту среду, как только откроется брешь. :) Либо же растрачивают свою энергию на столкновения с медленными молекулами, и в результате тоже замедляются.

По-моему, процесс чем-то напоминает испарение жидкости. Никого ведь не удивляет, что самые быстрые молекулы жидкости вдруг отрываются от медлительных соседей на поверхности и куда-то улетают. Точно так же, нет ничего удивительного в том, что нижний слой холодного воздуха покидают самые быстрые молекулы.

И как вода охлаждается при испарении, так и холодный воздух отдаёт свою энергию улетающим вверх молекулам, что делает его ещё холоднее. :)

(Наверное, я опять говорю что-то не то, но вот такое у меня сложилось представление. Интересно, прав я или нет.)

[Sergey K]

тут надо понимать, что молекулы при конвекции сталкиваются ничуть не реже, чем обычно. по этому наверх попадут далеко не все нагретые изначально молекулы - часть по пути остынет, их заменять новые, нагретые от столкновений. интересно посчитать какая доля добереться до верха)

[Denis Russkih]

Sergey K

Если молекула замедлилась, она становится частью холодного воздуха, и улетать ей уже не обязательно. :) Вместо этого она принимает участие в вытеснении более быстрых молекул.

В общем, я хочу сказать, что основной вопрос темы направляет взгляд немножко не туда. Гораздо интереснее не "почему горячий воздух поднимается", а "почему холодный воздух скапливается внизу".

Если ответить на вопрос про холодный воздух, то поведение горячего объясняется автоматически. Он вверху потому, что холодный уже занял место внизу. :) Не тусоваться же им обоим на полу, пока под потолком будет вакуум?..

(Повторюсь, это мнение профана, ничего не понимающего в физике. Я догадываюсь, что данное "объяснение" на пальцах не имеет ничего общего со строгим научным объяснением. Но суть, мне кажется, я ухватил верно. Или нет?)

[fedd]

Суть ухвачена верно. По такому принципу старатели выуживают золотой песок.

[Munin]

Denis Russkih в сообщении #801822 писал(а):

Естественно, быстрые молекулы при первой же возможности покидают эту среду, как только откроется брешь. :)

Вот примерно в этой точке надо сказать "стоп" кручению пальцев в воздухе, и начать это дело всерьёз считать и обосновывать. Потому что неочевидно, что это так. И может быть неверно. Врубаетесь?

Denis Russkih в сообщении #801822 писал(а):

Никого ведь не удивляет, что самые быстрые молекулы жидкости вдруг отрываются от медлительных соседей на поверхности и куда-то улетают.

На самом деле, удивляет, это достаточно сложный и нетривиальный процесс, и вообще говоря, для него нужны не такие простые условия (растущий участок изотермы газа Ван-дер-Ваальса).

Denis Russkih в сообщении #801822 писал(а):

Точно так же, нет ничего удивительного в том, что нижний слой холодного воздуха покидают самые быстрые молекулы.

Здесь проблема в том, что из жидкости отрываются любые молекулы, просто оказавшиеся на поверхности, а в вашей картине - нижний слой воздуха должны покинуть те же самые молекулы, которые были горячими до смешивания. Иначе они остынут, и не станут ничего покидать: установится общее равновесное распределение.

Denis Russkih в сообщении #801822 писал(а):

(Наверное, я опять говорю что-то не то, но вот такое у меня сложилось представление. Интересно, прав я или нет.)

Вам надо почитать учебники по молекулярно-кинетической теории и по статфизике (= статистической механике = статистической термодинамике, иногда они просто называются учебниками по термодинамике, но не каждый учебник по термодинамике сойдёт).

Denis Russkih в сообщении #801832 писал(а):

В общем, я хочу сказать, что основной вопрос темы направляет взгляд немножко не туда. Гораздо интереснее не "почему горячий воздух поднимается", а "почему холодный воздух скапливается внизу".

Этот-то вопрос куда банальнее.

Denis Russkih в сообщении #801832 писал(а):

Если ответить на вопрос про холодный воздух, то поведение горячего объясняется автоматически. Он вверху потому, что холодный уже занял место внизу.

Нет, для газов эта логика не работает. Это вы должны были пройти ещё на школьной химии, где рассказывается про парциальное давление газов.

fedd в сообщении #801838 писал(а):

Суть ухвачена верно.

(Если вы всерьёз, то )

[photon]

Тема перемещена из форума «Дискуссионные темы (Ф)» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»
Причина переноса: по просьбе ТС

[Denis Russkih]

Munin

Ясно, спасибо за подробный ответ. :) Погуглил вещи, которые Вы упомянули, и пришёл к выводу, что действительно ни черта не разбираюсь в обсуждаемом вопросе. (До этого мне почему-то казалось, что я хотя бы понимаю, о чём речь идёт.) Да-а, тут и впрямь бесполезно рассуждать на пальцах. Ну или надо знать огромную кучу всего, чтобы эти интуитивные рассуждения были правильными.

Но всё-таки я не могу сразу угомониться, хотя бы вот здесь можно пояснить:

Munin в сообщении #801874 писал(а):

Denis Russkih в сообщении #801832 писал(а):

В общем, я хочу сказать, что основной вопрос темы направляет взгляд немножко не туда. Гораздо интереснее не "почему горячий воздух поднимается", а "почему холодный воздух скапливается внизу".

Этот-то вопрос куда банальнее.

Denis Russkih в сообщении #801832 писал(а):

Если ответить на вопрос про холодный воздух, то поведение горячего объясняется автоматически. Он вверху потому, что холодный уже занял место внизу.

Нет, для газов эта логика не работает. Это вы должны были пройти ещё на школьной химии, где рассказывается про парциальное давление газов.

Если вопрос банален, то каков правильный ответ на него? :) Я немного почитал про парциальное давление, но всё равно не понял, почему для газов эта логика не работает.

Где-то на Ютубе я видел ролик, как в пустой аквариум осторожно "наливают" газ тяжелее воздуха (углекислый газ, если я не ошибаюсь). И он там остаётся внутри, весьма продолжительное время не улетучивается. Можно даже пустить бумажный кораблик "плавать" по нему. Выглядит это так, как будто кораблик левитирует.

Разве при этом концентрация прочих газов внутри аквариума остаётся такой же, как и снаружи?.. Я думал, что углекислый газ вытесняет их. (И точно так же горячий воздух вытесняется холодным.)

Прямо даже интересно стало. Вот у нас открытый пустой аквариум с "налитым" в него углекислым газом. Парциальное давление кислорода на стенку аквариума снаружи и внутри разное или одинаковое?

[GraNiNi]

Denis Russkih в сообщении #801969 писал(а):

Где-то на Ютубе я видел ролик, как в пустой аквариум осторожно "наливают" газ тяжелее воздуха (углекислый газ, если я не ошибаюсь). И он там остаётся внутри, весьма продолжительное время не улетучивается. Можно даже пустить бумажный кораблик "плавать" по нему. Выглядит это так, как будто кораблик левитирует.

С углекислым газом не получится, это был гексафторид серы (элегаз).

[Munin]

Denis Russkih в сообщении #801969 писал(а):

Если вопрос банален, то каков правильный ответ на него? :) Я немного почитал про парциальное давление, но всё равно не понял, почему для газов эта логика не работает.

Почитайте больше.

Denis Russkih в сообщении #801969 писал(а):

Где-то на Ютубе я видел ролик, как в пустой аквариум осторожно "наливают" газ тяжелее воздуха (углекислый газ, если я не ошибаюсь). И он там остаётся внутри, весьма продолжительное время не улетучивается.

Верно. Для поведения газов есть два характерных масштаба времени: на малых временах они ведут себя гидродинамически, как жидкость, а на больших временах срабатывает диффузия и теплопроводность, и в конечном счёте устанавливается химическое и термодинамическое равновесие. (Для некоторых процессов могут возникать и третьи и четвёртые масштабы времени: время химических реакций, время сверхзвуковых течений, например.)