Waarom stijgt warme lucht (vanuit de statistische thermodynamica)?

Maarten, 22 jaar
27 december 2015

Warme lucht stijgt omdat het een lagere dichtheid heeft dan koude lucht. Dit is een macroscopische uitleg en voor een afgesloten reservoir, zoals warme lucht in een ballon, is dit logisch. Maar waarom mengt de warme lucht niet gewoon met de koude lucht als er geen afgesloten reservoir is? De aantrekkingskracht tussen moleculen is toch niet afhankelijk van hun relatieve snelheid ten opzichte van elkaar... Als er een pakketje warme lucht is in een niet afgesloten volume in een koude kamer, verlaten de moleculen op hoge(re) snelheid het volume langs alle kanten. En via botsingen wordt de energie dan verspreid over de ganse kamer. Ik zie geen reden waarom er een macroscopische stijging zou zijn van het warme gas.

Antwoord

Alle processen die u beschrijft gebeuren inderdaad, maar uiteraard niet instantaan. De situatie die u ziet resulteert uit een dynamische combinatie.

1.a In een kolom lucht met dezelfde temperatuur overal resulteert er een evenwicht tussen de botsingen door hun voortdurende beweging langs alle kanten, de zwaartekracht die ze allemaal omlaag trekt, en de aantrekkingskracht tussen moleculen. Voor een temperatuur die hoog genoeg is, gebeurt dit evenwicht met een vrij hoge afstand tussen moleculen -- dit noemen we dus een gas. (Je weet zeker, als de temperatuur afneemt wordt een gas een vloeistof: de snelheid van de botsingen is niet meer sterk genoeg om de aantrekkingskracht tussen moleculen tegen te werken en ze komen dicht opelkaar te staan, en ook tegen de grond -- regen).

In deze kolom is de dichtheid & druk hoger hoe lager je bent: m.a.w., door de zwaartekracht zijn er meer moleculen dichtbij de grond dan helemaal omhoog. Inderdaa, dit wil zeggen, de molecule stoot, tijdens haar beweging langs alle kanten, tegen meer buren in de richting van de grond dan in de richting naar de hemel. Netto zou ze daardoor eerder stijgen -- en de zwaartekracht werkt deze stijging precies tegen. Daarom onstaat er een evenwicht met hogere dichtheid bij de grond.

1.b Neem nu een warme molecule, op dezelfde hoogte, in een ook warme kolom. Die blijft ook staan volgens een gegeven evenwicht, waar ze door haar beweging botst tegen buren met meer buren bij de grond dan richting de hemel. Omdat nu de bewegingen van alle molecules sneller zijn, i.e. de botsingen sterker, staan ze op evenwicht verder uitelkaar.

2. Als je de warme molecule van 1.b nu plaatst in een koude kolom van 1.a, dan botst die warme molecule tegen veel meer moleculen dan in 1.b. Dus ze botst tegen veel meer moleculen dan ze nodig heeft om de zwaartekracht tegen te werken (door het feite dat er meer moleculen richting de grond zijn dan naar boven). Daarom beweegt ze netto naar boven -- de zwaartekracht "is te zwak om die veel meer botsingen richting de grond tegen te werken". 

Uiteraard deelt ze bij haar botsingen ook geleidelijk energie met haar omgeving. Maar zolang er dus één molecule zwaarder is dan haar buren, begint deze te stijgen. Het is eventueel niet altijd dezelfde molecule die stijgt, maar altijd die die toevallig warmer is. Daardoor ontstaat er een macroscopische stijging van warme lucht.

 

Reacties op dit antwoord

Er zijn nog geen reacties op deze vraag.

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

prof.dr.ir. Alain Sarlette

regeltechniek, automatisering, robotica, dynamische systemen, toegepaste wiskunde, kwantumfysica

Universiteit Gent

http://www.ugent.be

Zoek andere vragen

© 2008-2020
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen