Почему горячий воздух движется вверх?

[longstreet]

Обычно по-школьному открещиваются силой Архимеда, да.
А если танцевать "от печки"? (Меня спросили, но я хорошего ответа не знаю.)

Пусть имеется закрытый объём в вакууме, в котором есть зона горячего воздуха, зона холодного воздуха, и внешняя сила.
Так вот: почему горячий воздух будет двигаться против внешней силы?

[Munin]

"От печки", как я понимаю, = от микроскопической (молекулярно-кинетической) теории?

Одна из пришедших в голову мыслей:

В каждой точке молекулы и так движутся по всем направлениям, с распределением Максвелла по скоростям. Так что, найти молекулы, движущиеся вверх, не проблема. Надо только сообразить, почему они в среднем предпочитают направление вверх, а не нуль.

Пусть сначала две зоны предоставлены самим себе, чтобы в них установилось равновесие, а потом между ними убирают теплоизолирующую преграду. Тогда, в начале в каждой зоне будет распределение Больцмана по высоте: $e^{-mgh/kT}.$ Но поскольку температуры разные, то и скорости спадания экспоненты по высоте будут разные: у горячего воздуха экспонента более плавная, у холодного - более крутая. В результате, внизу холодный воздух будет плотнее и с бо́льшим давлением, а вверху, наоборот, разреженнее и с меньшим давлением, чем горячий. Отсюда и возникнут потоки: внизу - из области холодного воздуха в область горячего, а вверху - из области горячего в область холодного.

[nikvic]

Давайте проще - отчего в дымоходе тяга?

В трубе - тёплый воздух, его плотность меньше, и давление кверху уменьшается быстрее (не, наоборот - медленнее !!!!), чем в таком же столбе внешнего воздуха. Труба сверху открыта, и там давления одинаковы. Значит, внизу трубы давление меньше внешнего.
Если открыть вьюшку, воздух потечёт из комнаты в трубу.

Но можно и Архимедом - если горячим воздухом надут лёгкий шар

[Denis Russkih]

nikvic

Извините, что-то я недопонял Вашу мысль.

nikvic в сообщении #800714 писал(а):

В трубе - тёплый воздух, его плотность меньше, и давление кверху уменьшается быстрее, чем в таком же столбе внешнего воздуха.

Это же значит, что в трубе более резкий градиент давлений, чем снаружи?

nikvic в сообщении #800714 писал(а):

Труба сверху открыта, и там давления одинаковы. Значит, внизу трубы давление меньше внешнего.

Должно же тогда быть больше, по идее?.. Если в трубе давление "кверху уменьшается быстрее", значит, оно и "книзу увеличивается быстрее". Стартуют они от одинакового значения, у верха трубы. Значит, внизу внутри трубы давление должно быть выше, чем снаружи. (По Вашей логике.)

То ли Вы чуток оговорились, то ли я уже вообще ничего не понимаю в физике. :) Мне кажется, Вы хотели сказать, что давление в трубе "кверху уменьшается медленнее", чем в столбе внешнего воздуха. Иначе получаются противоречивые высказывания в пределах одного абзаца.

(Оффтоп)

Кстати, по-моему, тяга в дымоходе может иногда присутствовать даже в том случае, если печь не работает и всё выстужено. Если снаружи дома сильный ветер, то поток воздуха, проносящийся мимо трубы, будет по закону Бернулли "высасывать" из неё неподвижный воздух. (Работает тот же принцип, что используется в пульверизаторах.) Наверху частенько дуют ветры — ведь чем выше, тем меньше препятствий для них. Так что дымоход работает не только за счёт нагревания воздуха в печи.

[iifat]

Denis Russkih в сообщении #801169 писал(а):

Стартуют они от одинакового значения, у верха трубы

Не одинаковое там, по-моему, значение. Оно стремится стать одинаковым из-за конвекции, то всё равно разное.

-- 15.12.2013, 14:50 --

longstreet в сообщении #800696 писал(а):

почему горячий воздух будет двигаться против внешней силы?

Подозреваю, примерно потому же, что камни в песке при вибрации "выбираются" наружу: достигается минимум потенциальной энергии.

[fedd]

Чтобы из бензобака отлить литр бензина в банку, нужно опустить шланг и ртом втянуть воздух. Чтобы вода не разливалась озером, следует создать канал с уклоном. Чтобы зимой образовать тягу в дымоходе, нужно сначала хорошо прогреть трубу. Короче, чтобы создать поток в нужную сторону, приходится потрудиться

[nikvic]

Denis Russkih в сообщении #801169 писал(а):

Это же значит, что в трубе более резкий градиент давлений, чем снаружи?

Виноват, оговорился. Этот градиент пропорционален плотности, так что в трубе он меньше.

[Munin]

nikvic в сообщении #801231 писал(а):

Этот градиент пропорционален плотности

Не просто плотности. Где-то на высоте трубы есть точка, где плотности снаружи и внутри трубы сравнялись, но градиенты там разные.

А вообще, вы недооценили вопроса. longstreet - это вам не Denis Russkih. И вопрос более глубокий, и ответ нужен качественно другой. Мне жаль, что разговор пошёл на примитив. Это я порекомендовал longstreet вынести разговор на форум, в расчёте на высокий уровень обсуждения...

[nikvic]

Munin в сообщении #801238 писал(а):

А вообще, вы недооценили вопроса.

Это нужно спросить у ТС. Там зачем-то приплетается вакуум вокруг закрытого сосуда.
"Намёк" в сторону Архимеда был явным - отсюда и мой текст, в основе которого - доказательство закона Архимеда.

[iifat]

Ну, вообще-то, есть и закон Максвелла-Больцмана. $n=n_0Ae^{\frac E{kT}}$. На одинаковой высоте полная энергия горячей молекулы больше — значит, и количество их будет больше.

[Munin]

nikvic в сообщении #801268 писал(а):

Это нужно спросить у ТС. Там зачем-то приплетается вакуум вокруг закрытого сосуда.

Это опечатка, я думаю. Разумеется, что вокруг сосуда - неважно. Идея была, как я понимаю, в том, что силу мы прикладываем сами, "руками", а не берём готовую силу тяжести на Земле.

nikvic в сообщении #801268 писал(а):

"Намёк" в сторону Архимеда был явным - отсюда и мой текст, в основе которого - доказательство закона Архимеда.

Нужно доказательство его на более глубоком уровне.

iifat в сообщении #801276 писал(а):

Ну, вообще-то, есть и закон Максвелла-Больцмана. $n=n_0Ae^{\frac E{kT}}$.

Минус в экспоненте забыли: $n=n_0e^{-\frac{E}{kT}}.$ А то у вас все молекулы вверх полезут, где энергия больше :-)

iifat в сообщении #801276 писал(а):

На одинаковой высоте полная энергия горячей молекулы больше — значит, и количество их будет больше.

В этом рассуждении надо ещё по пространству скоростей проинтегрировать.

[nikvic]

Munin в сообщении #801293 писал(а):

Нужно доказательство его на более глубоком уровне.

Это опять же нужно спрашивать у ТС - знаком ли он с интегралами по поверхности и объёму

[Munin]

nikvic
Не хамите. Не знаете уровня longstreet - ознакомьтесь. Он здесь подольше вашего.

[nikvic]

(Оффтоп)

Munin в сообщении #801307 писал(а):

Он здесь подольше вашего.

Анекдот про Чапаева и грязные ноги?
Так у меня грязнее...

Мне действительно неясно, что хочет ТС.

[DAP]

Munin в сообщении #800705 писал(а):

"От печки", как я понимаю, = от микроскопической (молекулярно-кинетической) теории?

Одна из пришедших в голову мыслей:

В каждой точке молекулы и так движутся по всем направлениям

Скажите пожалуйста, как Вы думаете: по какой причине, при наличии современных инструментальных возможностей по наблюдению за движением даже электронов [Ученые отследили движение электронов в молекулах], до сих пор никому так и не удалось наблюдать на практике того, что здесь в форуме описываете Вы, а именно хаотического движения молекул РАВНОВЕСНОГО воздуха некоторого объема?

Мысли какие-нибудь приходят в голову по поводу данного ФАКТА?