Mając ten sam argument, mógłbym wywnioskować (i wiem, że to źle), że zimne powietrze powyżej jest gęstsze, więc opadnie, odpychając gorące powietrze na bok.

Zastąp gorące powietrze balonem z helem. Widać, że balon nie działa na boki. Wypór zmusza go do przyspieszenia w górę (i trochę chłodnego powietrza wokół niego, aby przyspieszyć w dół). Jeśli nie zatrzymasz się na jednym, ale nadal będziesz tworzyć balony (podobnie jak w przypadku dalszego podgrzewania powietrza z patelni), otrzymasz ślad, który tworzy kolumnę.

Asymetria w tej sytuacji polega na tym, że tworzysz małą ilość ogrzanego powietrza w dużej ilości chłodnego powietrza.

Jeśli odwrócisz sytuację, umieszczając blok lodu w pobliżu sufitu, otrzymasz kolumnę chłodniejszego powietrza wpadającą przez stosunkowo cieplejsze powietrze.

w moim umysł Wyobrażam sobie obraz (czerwonych) cząsteczek gorącego powietrza oddzielonych bardziej niż (niebieskich) zimnych, które ślizgają się między czerwonymi.

Cząsteczki w gazie mają rozkład prędkości. Więc chłodniejszy gaz ma prawie tyle samo szybkich cząsteczek, co cieplejszy.

Ale problem polega na tym, że przy takiej skali rozmiar ogrzewanej paczki jest ogromny. Kilka cząsteczek zrobi to na krawędzi (dyfuzja), ale nie szybko. Średnia swobodna droga cząsteczki powietrza w twoim pokoju jest mniejsza niż 100 nanometrów, podczas gdy rozmiar ogrzewanej paczki to prawdopodobnie kilka centymetrów. Większość uderzy i pozostanie blisko swoich sąsiadów. Cała paczka podnosi się znacznie szybciej, więc ten proces dominuje.

Witamy w magii komórek konwekcyjnych =)

Pierwszą rzeczą do zapamiętania jest to, że pracujesz z dużą liczbą cząsteczek gazu. Efekt teoretycznie występuje bez względu na to, ile masz cząstek, ale efekty są znacznie łatwiejsze do opisania przy użyciu terminów zbiorczych, które obsługują wiele cząsteczek jednocześnie, zamiast próbować śledzić każdą cząsteczkę. Jak wspomniał BowlOfRed, długość swobodnej ścieżki na otwartym powietrzu wynosi około 100 nm, co oznacza, że ​​prawie wszystkie efekty, które zobaczysz, będą makroskopowymi efektami statystycznymi, takimi jak gęstość i transfer masy.

Weź pod uwagę objętość gorącego powietrza powyżej płyta grzejna. Twierdzę, że jego kształt jest z grubsza cylindryczny. Łatwo to udowodnić na początku, gdy gorące powietrze jest skoncentrowane w kształcie dysku tuż nad płytą grzejną. Użyjemy indukcji, aby pokazać, że pozostaje cylindryczny w miarę ewolucji systemu.

Teraz łatwo zauważyć, że system jest w stanie pod napięciem. Jego stan podstawowy miałby wszystkie cząstki o wysokiej energii (o małej gęstości) wysoko, a wszystkie cząstki o niskiej energii (a tym samym o dużej gęstości) na dole, ponieważ minimalizuje to energię potencjalną słupa powietrza. Musimy jednak dowiedzieć się, jak to osiąga.

Rozważmy przez chwilę promieniowy ruch powietrza. Zimne powietrze, próbując obniżyć swoje potencjały, jest gotowe wyprzeć gorące powietrze. W ten sposób gorące powietrze próbuje poruszać się w górę, we wszystkich kierunkach, w tym na zewnątrz, a zimne powietrze w dół, we wszystkich kierunkach, w tym do wewnątrz. Jednak nie możemy mieć dwóch przecinających się strumieni cząsteczek, ponieważ zderzają się. To zderzenie utrzymuje bardzo niską prędkość do wewnątrz / na zewnątrz większości cząsteczek powietrza. Ale to nie jest prawdą wszędzie.

U dołu, tuż na płycie grzewczej, nie ma zderzenia gorącego powietrza z zimnym. Gdy znajdziesz się na powierzchni płyty grzewczej, nie ma już gorącego powietrza próbującego unieść się w górę, ale wciąż jest zimne powietrze próbujące zejść. Tutaj zaczynamy widzieć ruch. Zimne powietrze wciąga się poziomo, aż ciśnienie się wyrówna.

Teraz możemy zacząć widzieć cykl, który się tworzy. Zimne powietrze, próbując zminimalizować swoją potencjalną energię, schodzi tak prosto w dół, jak zawsze gazy, wdmuchując poziomo wzdłuż płyty grzewczej. Kiedy to nastąpi, najmniejszy obszar niskiego ciśnienia pojawia się nad gorącym powietrzem, ponieważ część zimnego powietrza łączy się z lekką bryzą wokół cylindra.

Pamiętaj, boki cylindra nie pozwalają na duży ruch ponieważ prędkość promieniowa gazów wynosi w zasadzie zero. Jest tylko mieszanie dyfuzyjne wzdłuż tej granicy. Jednak teraz mamy teraz zimne powietrze przedostające się z boku wzdłuż płyty grzewczej, a gorące powietrze wypychane do góry. To jest podstawa ogniwa konwekcyjnego.

Aby zakończyć cykl iteracyjny, płyta grzejna ogrzewa część zimnego powietrza, które właśnie weszło, zamieniając je w gorące powietrze. Teraz mamy taką samą sytuację jak wcześniej, tylko z dwiema zmianami:

• Cylinder jest teraz wyższy, ponieważ gorące powietrze przesunęło się w górę
• Jest teraz niewielka prąd powietrza w górę w gorącym obszarze i niewielki prąd w dół w obszarze zimnym.

Jeśli powtórzysz ten proces, wystąpi ten sam efekt, z wyjątkiem obszaru niskiego ciśnienia powyżej ciśnienie w cylindrze jest jeszcze niższe, ponieważ wypływa z niego masowy strumień zimnego powietrza.

Ostatecznie ograniczenia materiałowe ograniczają proces, ale miejmy nadzieję, że to wyjaśnia, dlaczego gorące powietrze unosi się prosto w górę.Tuż obok gorącego powietrza znajduje się komora konwekcyjna z przeciwprądem zimnego powietrza.W międzyczasie prędkość promieniowa jest bardzo mała, więc widzimy bardzo małe mieszanie.Na dole widzimy, jak zimne powietrze porusza się na boki, a na górze widzimy, jak gorące powietrze jest wciągane w górę przez niższe ciśnienie.

Pytasz, dlaczego słup gorącego powietrza (jak w kominie) unosi się, biorąc pod uwagę, że nad nim jest gęstsze zimne powietrze, spychając w dół, unosi się, ponieważ gęstsze zimne powietrze wokół DOLNEGO komina jest pod wyższym ciśnieniem niż powietrze zimne na szczycie komina. Dodatkowe ciśnienie wynikające z wysokości komina zimnego powietrza wypycha go w dół. Mniejsza gęstość gorącego powietrza oznacza, że ​​wysokość komina gorącego powietrza powoduje mniejsze ciśnienie niż otaczające go zimne powietrze.

We wzorach sytuacja wygląda tak: poza kominem,

$$ P_ \ textrm {(chimney-top)} + \ rho_ \ textrm {(zimne powietrze)} \ cdot g \ cdot h_ \ textrm {chimney} = P_ \ textrm {(cold-chimney-bottom)} $$

dla zimnego powietrza i wnętrza komina

$$ P_ \ textrm {(chimney-top)} + \ rho_ \ textrm {(gorące-powietrze)} \ cdot g \ cdot h_ \ textrm {chimney} = P_ \ textrm {(hot-chimney-bottom)} $$

gdzie '$ \ rho $' to gęstość powietrza.

$$ \ rho_ \ textrm {(cold-air)} \ gt \ rho_ \ textrm {(gorące-powietrze )} $$

W ten sposób zimne powietrze na dnie komina ma wyższe ciśnienie niż gorące, wpycha się do środka, a gorące powietrze jest wypierane (unosi się).

Jeśli kiedykolwiek latałeś szybowcem, czy to szybowcem sterowanym radiowo, czy pełnowymiarowym szybowcem przewożącym ludzi, to zdajesz sobie sprawę, że zimne powietrze w rzeczywistości wpada w kolumnę. Piloci szybowcowi nazywają wznoszące się gorące powietrze jako „termikę” , a opadające zimne powietrze „tonem” . Oba poruszają się w kolumnach, bąbelkach, arkuszach itp.

Dla każdego „kształtu” gorące powietrze przemieszcza się w górę, zimne powietrze może również przemieszczać się w ten sam sposób w dół. Rzeczywiście, jak zauważyłeś, logika powinna mieć zastosowanie do obu.

To, która część powietrza tworzy kolumnę, to która część jest większością. Jeśli niewielka ilość gorącego powietrza unosi się otoczona zimnym powietrzem, to oczywiście gorące powietrze będzie kolumną - po prostu z powodu niewielkiej ilości powietrza poruszającego się w górę. Jeśli zimne powietrze opada w otoczeniu gorącego powietrza, to oczywiście to zimne powietrze będzie kolumną.

Logika jest podobna do nalewania wody. Jeśli wylejesz wodę z butelki do zlewu kuchennego, woda spadnie w kolumnie. Jeśli z drugiej strony napełnisz tę samą butelkę powietrzem i zanurzysz ją w basenie, to powietrze (bąbelki) unoszą się w kolumnie. To, co decyduje o pogodzie lub nie, woda lub powietrze staje się kolumną, to to, która jest większością, a która jest mniejszością.

Ale pamiętaj, że kolumny to nie jedyny sposób, w jaki gorące i zimne powietrze może się dostać.

Działają tu dwie rzeczy - grawitacja i ciśnienie gazu. Na początku ze względu na grawitację gęstsze powietrze jest na dole, a lżejsze na górze. Możesz zapytać, dlaczego tak jest na początku, a odpowiedź znajduje się w słowie „gęstszy”. Na każdym poziomie istnieje na początku gęstość równowagi, która jest wyższa na dole i niższa na górze. Kiedy trochę powietrza w pobliżu dna jest podgrzewane, nie unosi się, a jedynie rozszerza się we wszystkich kierunkach z powodu zwiększonej temperatury (a więc zwiększonego ciśnienia). Z powodu ekspansji jego gęstość spada. A z powodu tego obniżenia gęstości równowaga gęstości zostaje zakłócona. Następnie grawitacja przywraca równowagę gęstości, przyciągając gęste powietrze bardziej niż gorące, więc gorące powietrze tylko się rozszerza, a grawitacja robi resztę.

Teraz możesz zapytać, dlaczego grawitacja ciągnie gęstsze powietrze bardziej niż lżejsze. Ponieważ gęstsze powietrze ma większą masę na objętość, a więc większą siłę grawitacji na jednostkę objętości. (GMm / (r * r)).

Dlatego w rzeczywistości, nawet jeśli gęste powietrze pcha w dół (z powodu grawitacji), gorące, mniej gęste powietrze nie ma dokąd pójść, z wyjątkiem góry , więc wygląda na to, że napiera, ale tak naprawdę nie (lub możemy powiedzieć, że popycha we wszystkich kierunkach, nie tylko w górę, z powodu zwiększonego ciśnienia). Zimne powietrze opuszcza się tylko z boków, nie może opadać bezpośrednio z góry z powodu zwiększonego ciśnienia gorącego powietrza.

Dokładniejsze wyjaśnienie dotyczy energii atomów / cząsteczek w powietrzu, a nie gęstości.

To, co się dzieje, jest połączeniem dwóch następujących zjawisk:

1) Kiedypodgrzejesz powietrze nad płytą, atomy w powietrzu zostaną pobudzone w zależności od temperatury.Ta dodatkowa energia przejawia się jako prędkość atomów powietrza.Robiąc to, mają tendencję do poruszania się, co powoduje obniżenie ciśnienia nad płytą, ponieważ wszystkie atomy mają tendencję do odlatowania.

2) Ten spadek ciśnienia powoduje wprowadzenie zimnego powietrza, które zastępuje gorące powietrze nad płytą.Więc widzisz, nie chodzi tu zasadniczo o gęstość, ale raczej o energię i spadek ciśnienia, które doprowadzają do zimnego powietrza.

Problem z Twoim modelem polega na tym, że bierzesz pod uwagę tylko gęstość cząstek, a nie ich ruch.Jeśli podgrzejesz talerz, cząsteczki nad nim uzyskają energię cieplną i zaczną się poruszać coraz szybciej.Wpadają na siebie i na zimniejsze cząsteczki na granicy słupa powietrza nad płytą.

Ponieważ ciśnienie nieznacznie spada, gdy poruszasz się wyżej, ścieżka najmniejszego oporu dla ruchu cząstek prowadzi do góry.Poprzez ten losowy ruch i asymetrię ciśnienia powyżej i poniżej kolumny (poniżej znajduje się misa, która jest bryła i może być modelowana przez gaz o bardzo wysokim ciśnieniu), w końcu wypychają się w górę.

Można sobie również wyobrazić odwrócenie gorącej płyty na bok.Początkowo cząsteczki odsuwały się od naczynia na podstawie tego samego argumentu asymetrii i losowego ruchu.Ale gdy trochę odsuną się od patelni, gaz zacznie się podnosić.

Podsumowanie: Asymetria ciśnienia i losowy ruch.

Mówisz „dlaczego rośnie w kolumnie”. Moja odpowiedź brzmiałaby - dlaczego nie? (przynajmniej na początku). Nie ma siły bocznej. Jak już wspomniano, w krótkich skalach czasowych dryf poszczególnych cząsteczek (który jest znacznie wolniejszy niż same cząsteczki) może zostać zignorowany, a gaz można traktować jako małe paczki. Ogrzewasz pakiet, a jego ciśnienie rośnie (cząsteczki mają większe prędkości). Teraz próbuje się rozszerzyć, ponieważ ma większe ciśnienie niż otaczający go gaz - chce dostać się do niższej gęstości, aby osiągnąć równowagę ciśnienia z otoczeniem. Wypycha się we wszystkich kierunkach, aby spróbować, ale łatwiej jest pchać w górę niż w dół, więc zaczyna nabierać prędkości w górę.

Myślę, że o wiele bardziej interesujące jest to, co dzieje się później ...

W miarę wzrostu pakietu będzie się rozszerzał. Uderzy w przeszkodę (np. W sufit) lub znajdzie nową równowagę. W końcu oczywiście ostygnie (nadal ignoruję tutaj dyfuzję). Ale to, co wznosi się, musi opadać, więc gaz, który unosi się, jest równoważony równą masą spadającego gazu. Kiedy zaczynasz myśleć o tym, jak dokładnie miałbyś rosnąć i opadać przepływy, zdajesz sobie sprawę, że nie ma „schludnego” lub płynnego sposobu, aby to zrobić. Zamiast tego przepływy staną się chaotyczne i burzliwe; drobne różnice w przepływie w całym pomieszczeniu spowodują różnego rodzaju ekscytujące niestabilności i stale zmieniający się wzór konwekcji. To jest problem hydrodynamiczny, który nie będzie miał analitycznego rozwiązania, ale prawdopodobnie stworzy fajne filmy!

Tylko moje 2 centy: wydaje się, że nikt do tej pory nie wspomniał o zasadzie Archimedesa.

W zasadzie tak właśnie się dzieje.Gorące powietrze rozszerza się w formie bańki o mniejszej gęstości, która podnosi się w górę równą ciężarowi przemieszczonego zimnego powietrza.

Oczywiście gorące powietrze nie jest zawarte w zamkniętej objętości (tak jak w balonie), ale wyrównywanie temperatury przez mieszanie zimnego i gorącego powietrza jest stosunkowo powolnym procesem, który zachodzi tylko w stosunkowo cienkiej warstwie granicznej.

Jednak wzrost i rozcieńczanie to konkurencyjne zjawiska.Wlej trochę oleju z dna szklanki wody, a wkrótce zacznie się unosić.Zastąp olej alkoholem, a zanim dotrze na szczyt, zostanie rozcieńczony.

W każdym razie ciepłe powietrze unosi się a zimne schodzi.To zależy od sytuacji.Wyobraź sobie komin, ciepłe powietrze wypływa przez komin, a zimne powietrze wychodzi na zewnątrz komina.Gdyby zimne powietrze próbowało wepchnąć ciepłe powietrze do komina, spychałoby to mniej gęstsze powietrze w dół, co nie zadziała.Jest to więc asymetria pozioma, która pozwala ciepłemu powietrzu unosić się w jedną stronę, a zimnemu w dół w drugą.

Teraz wyobraź sobie bardzo dużą podgrzewaną płytę.W sytuacji, gdy powietrze zaczyna się zupełnie nieruchome, ciepłe powietrze nie unosi się (o ile temperatura nie jest zbyt wysoka), zostaje, ponieważ nie ma asymetrii.Dopiero w przypadku wystąpienia zakłócenia lub zbyt dużej różnicy temperatur rozpocznie się konwekcja.W takim przypadku ponownie ciepłe powietrze unosi się w jednym miejscu, a zimne w inne.

To, czego Ci brakuje, to grawitacja.

Masz rację: gorące powietrze jest mniej gęste niż zimne.Próbując trzymać się wizualnego wyjaśnienia: Wyobraź sobie mały element (sześcian) gorącego powietrza.Działająca na nią siła grawitacji wynosi $ F = gm = gV \ rho _ {\ textrm {warm}} < gV \ rho _ {\ textrm {zimno}} $, ponieważ $ \ rho_ \ textrm {warm} < \ rho_ \ textrm {zimno} $.Otaczające zimne powietrze jest ściągane w dół silniej niż powietrze ciepłe - więc ciepłe powietrze unosi się i jest zastępowane zimnym powietrzem.

Zasadniczo jest to pływalność.

Poza tym w kosmosie nie ma takiego efektu.Być może widziałeś podobny efekt w niektórych filmach edukacyjnych, w których olej i woda są mieszane w kosmosie: również nie rozdzielają się na dwie warstwy, tak jak na Ziemi.

Odpowiedź brzmi: Tybrakowało grawitacji, która narzuca preferowany kierunek badanemu systemowi.

Gorące powietrze nie unosi się, ponieważ jest gorące, a chłodne powietrze nie opada, ponieważ jest chłodne.Gorące powietrze unosi się, ponieważ jest wypychane do góry przez chłodniejsze powietrze, a to dlatego, że większość powietrza ma gradient ciśnień, a to jest spowodowane grawitacją.Powietrze pod jakimkolwiek obiektem wypycha w górę bardziej niż powietrze nad nim w dół.Jeśli ciężar obiektu jest mniejszy niż siła netto działająca w górę, wówczas obiekt wzrośnie.