Mit demselben Argument könnte ich schließen (und ich weiß, dass es falsch ist), dass die kalte Luft oben dichter ist, so dass sie nach unten geht und die heiße Luft seitwärts wegdrückt.

Ersetzen Sie Ihre heiße Luft durch einen Heliumballon. Sie können sehen, dass der Ballon keine Kraft hat, ihn zur Seite zu schieben. Der Auftrieb zwingt ihn, nach oben zu beschleunigen (und etwas kühle Luft um ihn herum, um nach unten zu beschleunigen). Wenn Sie nicht bei einem anhalten, sondern weiterhin Luftballons erstellen (ähnlich wie Sie die Luft aus der Pfanne weiter erhitzen), erhalten Sie eine Spur, die eine Säule bildet.

Die Asymmetrie in der Situation besteht darin, dass Sie eine kleine Menge erwärmter Luft in einer großen Menge kühlerer Luft erzeugen.

Wenn Sie die Situation umkehren würden, indem Sie einen Eisblock in der Nähe der Decke platzieren, würde eine kühlere Luftsäule durch die relativ wärmere Luft fallen.

in meinem Ich stelle mir ein Bild von (roten) Heißluftmolekülen vor, die stärker voneinander getrennt sind als die (blauen) Kaltmoleküle, die zwischen den roten Molekülen abrutschen.

Moleküle in einem Gas haben eine Geschwindigkeitsverteilung. Das kühlere Gas hat also fast so viele schnelle Moleküle wie das wärmere.

Das Problem hierbei ist jedoch, dass in einem solchen Maßstab die Größe Ihres beheizten Pakets riesig ist. Einige Moleküle tun dies am Rand (Diffusion), aber nicht schnell. Der mittlere freie Weg eines Luftmoleküls in Ihrem Raum beträgt weniger als 100 Nanometer, während die Größe Ihres beheizten Pakets wahrscheinlich mehrere Zentimeter beträgt. Die meisten werden treffen und in der Nähe ihrer Nachbarn bleiben. Das Heben des gesamten Pakets ist viel schneller, sodass dieser Prozess dominiert.

Willkommen in der Magie der Konvektionszellen =)

Als Erstes sollten Sie daran denken, dass Sie mit einer großen Anzahl von Gasmolekülen arbeiten. Der Effekt tritt theoretisch auf, egal wie viele Partikel Sie haben, aber die Effekte sind viel einfacher zu beschreiben, indem Sie Massenbegriffe verwenden, die viele Moleküle gleichzeitig verarbeiten, anstatt zu versuchen, jedes Molekül zu verfolgen. Wie BowlOfRed erwähnt hat, beträgt die freie Weglänge im Freien etwa 100 nm, was bedeutet, dass fast alle Effekte, die Sie sehen, makroskopische statistische Effekte sind, wie Dichte und Stoffübergang.

Betrachten Sie ein heißes Luftvolumen oben die Kochplatte. Ich werde behaupten, dass seine Form ungefähr zylindrisch ist. Dies ist leicht frühzeitig zu beweisen, wenn die heiße Luft in Scheibenform direkt über der Heizplatte konzentriert ist. Wir werden die Induktion verwenden, um zu zeigen, dass sie während der Entwicklung des Systems zylindrisch bleibt.

Jetzt ist leicht zu erkennen, dass sich das System in einem unter Spannung stehenden Zustand befindet. In seinem Grundzustand wären alle Partikel mit hoher Energie (niedriger Dichte) hoch und alle Partikel mit niedriger Energie (und damit hoher Dichte) niedrig, da dies die potentielle Energie der Luftsäule minimiert. Wir müssen jedoch herausfinden, wie dies erreicht wird.

Betrachten Sie für einen Moment die radiale Bewegung der Luft. Kalte Luft, die versucht, sich auf ihre niedrigeren Potentiale herunterzuarbeiten, ist bereit, heiße Luft zu verdrängen. Somit versucht die heiße Luft, sich nach oben in alle Richtungen einschließlich nach außen zu bewegen, und die kalte Luft versucht sich nach unten zu bewegen, in alle Richtungen einschließlich nach innen. Wir können jedoch nicht zwei sich kreuzende Molekülströme haben, weil sie kollidieren. Diese Kollision hält die Ein- / Auswärtsgeschwindigkeit der meisten Luftmoleküle sehr niedrig. Dies gilt jedoch nicht überall.

In der Nähe des Bodens, direkt auf der Heizplatte, stößt keine heiße Luft mit kalter Luft zusammen. Sobald Sie auf der Oberfläche der Heizplatte sind, versucht keine heiße Luft mehr aufzusteigen, aber es gibt immer noch kalte Luft, die versucht abzusteigen. Hier sehen wir Bewegung. Die kalte Luft strömt horizontal ein, bis sich der Druck ausgeglichen hat.

Jetzt können wir beginnen, den sich bildenden Zyklus zu sehen. Kalte Luft, die versucht, ihre potentielle Energie zu minimieren, strömt so gerade wie Gase und bläst horizontal entlang der Heizplatte ein. Wenn dies der Fall ist, erscheint der geringste Niederdruckbereich über der heißen Luft, da sich ein Teil der kalten Luft mit dieser leichten Brise um den Zylinder verbindet.

Denken Sie daran, dass die Seiten des Zylinders nicht viel Bewegung zulassen weil die Radialgeschwindigkeit der Gase grundsätzlich Null ist. Es gibt nur Diffusionsmischung entlang dieser Grenze. Jetzt schleicht sich jedoch die kalte Luft seitlich an der Heizplatte entlang und die heiße Luft drückt nach oben. Dies ist die Basis einer Konvektionszelle.

Um den iterativen Zyklus zu beenden, erwärmt die Heizplatte einen Teil der gerade eingetroffenen kalten Luft und wandelt sie in heiße Luft um. Jetzt haben wir die gleiche Situation wie zuvor, nur mit zwei Änderungen:

• Der Zylinder ist jetzt höher, weil sich die heiße Luft nach oben bewegt hat.
• Es gibt jetzt eine leichte Aufwärtsstrom der Luft im heißen Bereich und ein leichter Abwärtsstrom der Luft im kalten Bereich.

Wenn Sie den Vorgang wiederholen, tritt der gleiche Effekt auf, außer jetzt im Niederdruckbereich darüber Der Zylinder hat einen noch niedrigeren Druck, da ein Massenstrom kalter Luft von ihm wegführt.

Eventuell begrenzen Materialgrenzen den Prozess, aber das erklärt hoffentlich, warum die heiße Luft gerade nach oben steigt.Direkt neben der heißen Luft befindet sich eine Konvektionszelle mit einem Gegenstrom aus kalter Luft.Dazwischen ist die Radialgeschwindigkeit sehr niedrig, so dass wir sehr wenig Vermischung sehen.Unten sehen wir kalte Luft, die sich seitwärts bewegt, und oben sehen wir, wie heiße Luft durch niedrigere Drücke nach oben gezogen wird.

Sie fragen, warum eine heiße Luftsäule (wie in einem Schornstein) aufsteigt, wenn sich die kalte Luft des Dichters darüber befindet und nach unten drückt. Sie steigt auf, weil dichtere kalte Luft um den Boden des Schornsteins unter höherem Druck als die kalte Luft steht oben im Schornstein. Der zusätzliche Druck aufgrund der Kaminhöhe der kalten Luft drückt sie nach unten. Die geringere Dichte heißer Luft bedeutet, dass die Schornsteinhöhe heißer Luft weniger Druck verursacht als die umgebende kalte Luft.

In Formeln ist die Situation: außerhalb des Schornsteins

$$ P_ \ textrm {(Schornstein)} + \ rho_ \ textrm {(Kaltluft)} \ cdot g \ cdot h_ \ textrm {Schornstein} = P_ \ textrm {(kalter Schornsteinboden)} $$

für die kalte Luft und im Schornstein

$$ P_ \ textrm {(Schornstein oben)} + \ rho_ \ textrm {(Heißluft)} \ cdot g \ cdot h_ \ textrm {Schornstein} = P_ \ textrm {(heißer Schornstein unten)} $$

wobei '$ \ rho $' die Dichte der Luft ist.

$$ \ rho_ \ textrm {(kalte Luft)} \ gt \ rho_ \ textrm {(heiße Luft) )} $$

Somit hat die kalte Luft am Schornsteinboden einen höheren Druck als die heiße, sie drückt sich hinein und die heiße Luft wird verdrängt (sie steigt auf).

Wenn Sie jemals ein Segelflugzeug geflogen haben, entweder ein funkgesteuertes Modellflugzeug oder ein Segelflugzeug in voller Größe, dann wissen Sie, dass kalte Luft tatsächlich in eine Säule fällt. Segelflugzeugpiloten nennen heiße Luft steigende "Thermik" und kalte Luft fallen "sinken" . Beide bewegen sich in Säulen, Blasen, Blättern usw.

Für jede "Form" bewegt sich heiße Luft nach oben, kalte Luft kann sich auch auf die gleiche Weise nach unten bewegen. Wie Sie bemerkt haben, sollte die Logik auf beide anwendbar sein.

Was bestimmt, welcher Teil der Luft eine Säule bildet, ist welcher Teil die Mehrheit. Wenn eine kleine Menge heißer Luft, umgeben von kalter Luft, aufsteigt, ist diese heiße Luft natürlich eine Säule - einfach wegen der geringen Menge Luft, die sich nach oben bewegt. Wenn die kalte Luft von heißer Luft umgeben sinkt, ist diese kalte Luft natürlich eine Säule.

Die Logik ähnelt dem Gießen von Wasser. Wenn Sie Wasser aus einer Flasche in Ihr Spülbecken gießen, fällt das Wasser in eine Säule. Wenn Sie andererseits dieselbe Flasche mit Luft füllen und in ein Schwimmbad tauchen, steigt Luft (Blasen) in einer Säule auf. Was bestimmt, ob Wetter oder nicht Wasser oder Luft zu einer Säule wird, ist die Mehrheit und die Minderheit.

Beachten Sie jedoch, dass Säulen nicht die einzige Möglichkeit sind, wie heiße und kalte Luft eindringen können.

Hier wirken zwei Dinge - Schwerkraft und Gasdruck. Am Anfang befindet sich aufgrund der Schwerkraft dichtere Luft unten und leichtere Luft oben. Sie fragen sich vielleicht, warum dies so ist und die Antwort lautet "dichter". Auf jeder Ebene gibt es am Anfang eine Gleichgewichtsdichte, die unten höher und oben niedriger ist. Wenn etwas Luft in Bodennähe erwärmt wird, drückt sie sich nicht nach oben, sondern dehnt sich aufgrund ihrer erhöhten Temperatur (und damit des erhöhten Drucks) in alle Richtungen aus. Aufgrund der Expansion nimmt seine Dichte ab. Und aufgrund dieser Verringerung der Dichte wird das Dichtegleichgewicht gestört. Dann bringt die Schwerkraft das Dichtegleichgewicht zurück, indem sie dichte Luft mehr nach unten zieht als die heiße Luft. So dehnt sich heiße Luft nur aus, die Schwerkraft erledigt den Rest.

Nun fragen Sie sich vielleicht, warum die Schwerkraft dichtere Luft zieht als die leichtere Luft. Denn dichtere Luft hat mehr Masse pro Volumen und damit mehr Schwerkraft pro Volumeneinheit. (GMm / (r * r)).

Daher hat die heiße, weniger dichte Luft in Wirklichkeit, obwohl es sich um dichte Luft handelt, die nach unten drückt (aufgrund der Schwerkraft), keinen anderen Weg als nach oben und so scheint es, als würde es nach oben drücken, aber es tut es wirklich nicht (oder wir können sagen, es drückt in alle Richtungen, nicht nur nach oben, aufgrund seines erhöhten Drucks). Die kalte Luft bewegt sich nur von den Seiten nach unten, sie kann sich aufgrund des erhöhten Drucks der heißen Luft nicht von direkt nach unten bewegen.

Eine gründlichere Erklärung betrifft eher die Energie der Atome / Moleküle in der Luft als die Dichte.

Was passiert, ist eine Kombination der beiden folgenden Phänomene:

1) WannWenn Sie die Luft über der Platte erwärmen, werden die Atome in der Luft abhängig von der Temperatur mit Energie versorgt.Diese zusätzliche Energie manifestiert sich als Geschwindigkeit der Luftatome.Dabei neigen sie dazu, sich zu bewegen, was zu einer Drucksenkung über der Platte führt, da alle Atome dazu neigen, wegzufliegen.

2) Dieser Druckabfall bringt kalte Luft herein, die die heiße Luft über der Platte ersetzt.Sie sehen, hier geht es nicht grundsätzlich um die Dichte, sondern um die Energie und den Druckabfall, der kalte Luft hereinbringt.

Das Problem bei Ihrem Modell ist, dass Sie nur die Dichte der Partikel und nicht deren Bewegung berücksichtigen.Wenn Sie eine Platte erwärmen, gewinnen die darüber liegenden Moleküle Wärmeenergie und bewegen sich immer schneller.Sie stoßen aneinander und auf die kälteren Partikel an der Grenze der Luftsäule über der Platte.

Da der Druck mit zunehmender Bewegung leicht abnimmt, ist der Weg des geringsten Widerstands für die Partikel nach oben.Durch diese zufällige Bewegung und die Druckasymmetrie über und unter der Säule (darunter befindet sich eine Pfanne, die fest ist und durch ein Gas mit extrem hohem Druck modelliert werden kann) erzwingen sie ihren Weg nach oben.

Sie können sich auch vorstellen, eine Kochplatte auf die Seite zu drehen.Zuerst würden sich die Moleküle durch die gleiche Asymmetrie und das gleiche Argument der zufälligen Bewegung von der Pfanne entfernen.Sobald sie sich jedoch ein wenig von der Pfanne entfernt haben, steigt das Gas an.

Zusammenfassung: Asymmetrie in Druck und zufälliger Bewegung.

Sie sagen 'warum steigt es in einer Spalte auf'. Meine Antwort wäre - warum sollte es nicht? (zumindest anfangs). Es wirkt keine seitliche Kraft. Wie bereits erwähnt, kann über kurze Zeiträume die Drift der einzelnen Moleküle (die viel langsamer ist als die Geschwindigkeit der Moleküle selbst) ignoriert werden, und Sie können das Gas als kleine Pakete behandeln. Sie erhitzen ein Paket und sein Druck steigt (Moleküle haben höhere Geschwindigkeiten). Es versucht nun zu expandieren, da es mehr Druck als das umgebende Gas hat - es möchte eine niedrigere Dichte erreichen, um ein Druckgleichgewicht mit seiner Umgebung zu erreichen. Es drückt sich in alle Richtungen heraus, um es zu versuchen, aber es ist einfacher, nach oben als nach unten zu drücken, damit es eine Aufwärtsgeschwindigkeit erreicht.

Was ich für viel interessanter halte, ist, was als nächstes passiert ...

Wenn das Paket steigt, wird es erweitert. Es trifft entweder auf ein Hindernis (z. B. die Decke) oder findet ein neues Gleichgewicht. Irgendwann wird es natürlich abkühlen (ich ignoriere hier immer noch die Diffusion). Aber was hoch geht, muss runter kommen, damit das aufsteigende Gas mit einer gleichen Masse fallenden Gases übereinstimmt. Wenn Sie darüber nachdenken, wie genau die Flüsse steigen und fallen würden, stellen Sie fest, dass es keinen „ordentlichen“ oder reibungslosen Weg gibt, dies zu tun. Stattdessen werden die Strömungen chaotisch und turbulent; Winzige Strömungsschwankungen im Raum lösen alle möglichen aufregenden Instabilitäten und ein sich ständig änderndes Konvektionsmuster aus. Dies ist ein hydrodynamisches Problem, das keine analytische Lösung hat, aber wahrscheinlich coole Videos machen würde!

Nur meine 2 Cent: Bisher scheint niemand das Archimedes-Prinzip erwähnt zu haben.

Genau das passiert hier.Heiße Luft dehnt sich in einer Blase mit geringerer Dichte aus, die einen Auftrieb nach oben erhält, der dem Gewicht der verdrängten kalten Luft entspricht.

Natürlich ist die heiße Luft nicht in einem geschlossenen Volumen enthalten (wie in einem Ballon)), aber der Temperaturausgleich durch Mischen von kalter und heißer Luft ist ein vergleichsweise langsamer Prozess, der nur in einer relativ dünnen Grenzschicht stattfindet.

Steigen und Verdünnen sind jedoch konkurrierende Phänomene.Gießen Sie etwas Öl vom Boden eines Wasserglases und es wird bald schwimmen.Ersetzen Sie das Öl durch Alkohol und es wird verdünnt, bevor Sie die Spitze erreichen können.

In jedem Fall steigt warme Luft auf und kalte Luft fällt ab.Es hängt von der Situation ab.Stellen Sie sich einen Schornstein vor, warme Luft steigt in den Schornstein, kalte Luft strömt an der Außenseite des Schornsteins nach unten.Wenn die kalte Luft versuchen würde, die warme Luft in den Schornstein zu drücken, würde dies weniger dichtere Luft nach unten drücken, was nicht funktionieren würde.Es ist also die horizontale Asymmetrie, die es ermöglicht, dass warme Luft in eine Richtung aufsteigt und kalte Luft in eine andere Richtung abfällt.

Stellen Sie sich nun eine sehr große beheizte Platte vor.In einer Situation, in der die Luft völlig still anfängt, steigt die warme Luft nicht auf (solange die Temperatur nicht zu hoch wird). Sie bleibt bestehen, weil keine Asymmetrie besteht.Nur wenn eine Störung oder ein zu hoher Temperaturunterschied vorliegt, beginnt die Konvektion.In diesem Fall steigt an einer Stelle wieder warme Luft auf und an einer anderen Stelle kalte Luft.

Was Ihnen fehlt, ist die Schwerkraft.

Sie haben Recht: Heiße Luft ist weniger dicht als kalte Luft.Der Versuch, sich an eine visuelle Erklärung zu halten: Stellen Sie sich ein kleines Volumenelement (einen Würfel) der heißen Luft vor.Die darauf einwirkende Gravitationskraft ist $ F = gm = gV \ rho _ {\ textrm {warm}} < gV \ rho _ {\ textrm {kalt}} $, da $ \ rho_ \ textrm {warm} < \ rho_ \ textrm {kalt} $.Die umgebende kalte Luft wird stärker nach unten gezogen als die warme Luft - daher steigt die warme Luft auf und wird durch kalte Luft ersetzt.

Grundsätzlich handelt es sich um Auftrieb.

Auch im Raum gibt es keinen solchen Effekt.Vielleicht haben Sie einen ähnlichen Effekt in einigen Lehrfilmclips gesehen, in denen Öl und Wasser im Weltraum gemischt werden: Sie trennen sich auch nicht wie auf der Erde in zwei Schichten.

Die Antwort lautet also: SieEs fehlte die Schwerkraft, die Ihrem untersuchten System eine bevorzugte Richtung auferlegt.

Heiße Luft steigt nicht auf, weil sie heiß ist, und kühle Luft fällt nicht, weil sie kühl ist.Heiße Luft steigt auf, weil sie von kühlerer Luft nach oben gedrückt wird, und das liegt daran, dass die Massenluft einen Druckgradienten aufweist, und das liegt an der Schwerkraft.Die Luft unter einem Objekt drückt mehr nach oben als die Luft über einem Objekt nach unten.Wenn das Gewicht des Objekts geringer ist als die Nettoaufwärtskraft, steigt es an.