Hoe kan het dat als de lucht sneller stroomt de luchtdruk afneemt?

Antwoord

Hoi Mark,

Je vraagt hoe het komt dat de druk niet omhoog gaat als de lucht stroomt, terwijl de deeltjes, vanwege hun verhoogde kinetische energie, juist krachtiger in botsing zouden komen met een oppervlak.

Dit is misschien wel waar voor de richting waarin de lucht stroomt (botsingen met een muur daar zouden vermeerderen en versterken, en de druk op de muur dus ook). Je kan echter op dezelfde manier redeneren dat daar waar de lucht vandaan komt (dus de andere kant op), een equivalente vermindering van 'botsingen' plaatsvindt. Deze verschillen heffen elkaar op en deze geordende beweging in een richting zorgt dus als geheel voor geen verschil in druk. De druk verschijnt dan ook niet in de formule voor de kinetische energie: E_kin=0.5*mv².

Wat het drukverschil veroorzaakt, is een verandering van beweging in willekeurige richtingen, veroorzaakt door een verandering in interne energie, gegeven door U=RT=p*V/n. Zoals je ook kunt afleiden uit de formule: de interne energie is de energie die een systeem van zichzelf heeft, ongeacht lokatie, en - wat belangrijker is voor de uitleg - verplaatsing. En, inderdaad, een verhoging in druk veroorzaakt een hogere interne energie.

De lokatie geeft nog een derde term die mogelijk invloed heeft op de totale energie: de potentiële energie Epot=m*g. Aangezien we uitgaan van horizontale verplaatsing is deze term echter momenteel irrelevant en negeer ik deze.

De wet van Bernoulli gaat uit van de wet op behoud van energie: de som van de kinetische en interne energie is constant aangezien energie niet kan verdwijnen of verschijnen uit het niets. Verhoogt de kinetische energie door verhoging van de snelheid van het systeem, dan moet de interne energie verlagen. Bij constant volume, temperatuur en concentratie betekent dit een verlaging in de druk.

Op moleculair niveau kun je dit grofweg als volgt voorstellen: een molecuul heeft slechts energie om met een bepaalde snelheid te bewegen. Wanneer het nu geordende in een bepaalde richting wordt 'gedwongen' - het gaat dus stromen, vermoedelijk onder invloed van een drukverschil -, heeft het niet meer de mogelijkheid druk (ongeordende bewegingen) uit te oefenen in andere richtingen. Zou dit molecuul zowel in een bepaalde riching kunnen gaan bewegen en even hard willekeurig in andere richtingen bewegen, dan is er duidelijk extra energie in het molecuul terecht gekomen.

Een ander voorbeeld: je hebt een groep mensen die eerst als geheel stil staat en uit alle macht tegen de wanden van een gang beukt en daardoor een zekere druk op de wanden veroorzaakt. Vervolgens laat je de mensen nu uit alle macht hard door de gang rennen, allemaal in een dezelfde richting. De mensen zullen weinig energie en tijd meer over hebben om druk op de wanden uit te oefenen en de druk op de wanden verlaagt.