为什么自由流动的热空气上升?

时间:2021-09-19 12:25:38   作者:
你要问的是,如果你把热空气和冷空气混合,为什么热分子会高于冷分子?答案是,他们不会。

如果你把热空气和冷空气混合,就会得到热空气。热分子就是那些具有更高动能的分子,所以更热的分子会与更冷的分子碰撞并将动量传递给它们,几乎在瞬间,它们的动能就会达到平衡。

然而,实际发生的情况是,一团热空气将上升到一团冷空气之上。这是一个典型的例子:

为什么自由流动的热空气上升

核爆炸(或者任何大的热爆炸)会产生大量我们很容易看到的热空气。

这个温暖的物体只能在它的表面与周围的空气混合,而且它的内部体积比表面积大得多,所以在一段时间内,它仍然是一个密度比它周围的物体低的凝聚的物体,它漂浮或向上。

但当它上升时,它会辐射热量(以红外光的形式),这使得它慢慢冷却,同时它慢慢地与周围较冷的空气混合。当它这样做的时候,它也会减慢速度,因为它上升到空气中,虽然寒冷,但由于高度的增加,密度较低。

当这种冷却、减速的质量被下方仍热、上升的热空气“追尾”时,就形成了典型的“蘑菇云”,这些热空气将其挤出,直到最终所有的空气混合或辐射出足够的热量,从而停止进一步的运动。

爆炸后,会留下可见的烟灰和细粉尘残留物,但同样的事情一直在不可见的情况下发生。在一个很大的城市区域,人行道沐浴在阳光下,加热了大量上升的空气,扰乱了当地的气候,但最终会冷却,并在城市的上方和下风处无形地混合:

为什么自由流动的热空气上升

一团热的、低密度的空气上升到火的上方,直到它冷却并与周围的环境混合。你只是通常不会看到:

为什么自由流动的热空气上升

然而,一组被加热的分子会扩散开来。十亿个被加热的分子和十亿个较冷的分子的重量相同,但是温暖的分子加在一起会占据更多的空间。当你有一个局部的温暖空气“包”时,比如在营火上,空气的密度会比周围的冷空气低,因为同等重量的分子会占据更多的空间。因此,当密度更大、温度更低的空气进入并取代它时,它会向上漂浮。

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是的,温度最终会混合并平衡,但这需要时间。在营火的例子中,火可以很快地加热它上面的空气,这样当地的空气体积就会迅速上升,并在与周围的空气混合并冷却到停止上升之前上升到相当高的水平。
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