No Image

Почему холодный воздух тяжелее теплого

СОДЕРЖАНИЕ
2 420 просмотров
10 марта 2020

Когда воздух нагревается и расширяется, он становится легче и поднимается вверх. Так, когда топится печь, то нагретый в ней воздух вместе с дымом, а иногда и с искрами поднимается вверх по трубе. В горящей керосиновой лампе нагретый воздух по ламповому стеклу также поднимается вверх. Если бросить в ламповое стекло мелкие кусочки папиросной бумаги, то они не падают на пламя, а уносятся нагретым воздухом вверх. Все это показывает, что теплый воздух легче холодного, поэтому он и поднимается вверх.

Опыт. Воздух в классе обыкновенно теплее, чем в коридоре. Приоткроем слегка дверь из класса в коридор и будем держать горящую свечу около пола. Пламя свечи отклоняется в сторону класса. Это показывает, что холодный воздух, как более тяжелый, идет Низом.

Поднимем горящую свечу и будем держать её вверху, у притолки. Теперь пламя свечи отклоняется в сторону коридора. Это показывает, что теплый воздух, как более легкий, идёт верхом. Если мы приоткроем дверь из коридора наружу и проделаем такой же опыт со свечой, то будет то же самое. Все это показывает перемещение теплого и холодного воздуха. Перемещение теплого и холодного воздуха постоянно происходит в природе. Солнце греет землю. От нагретой земли нагревается воздух. Нагретый воздух, как более легкий, поднимается вверх, на место его притекает холодный воздух. Так благодаря нагреванию и охлаждению происходит перемещение воздуха в природе.

ВОЗДУХ.
ГДЕ ТЕПЛЕЕ.
Цель. Выявить, что тёплый воздух легче холодного и поднимается вверх.

Игровой материал. Два термометра, чайник с горячеё водой.

Ход игры. Дети выясняют, если в комнате прохладно, то где теплее – на полу или на диване, т. е. выше или ниже, и сравнивают свои предположения с показаниями термометров. Дети выполняют действия: держат руку выше или ниже батареи; не прикасаясь к чайнику, держат руку над водой. Выясняют с помощью действий, где теплее воздух: сверху или снизу (всё, что легче, поднимается вверх, значит тёплый воздух легче холодного и сверху теплее).
ВЕТЕР В КОМНАТЕ («ЖИВАЯ ЗМЕЙКА»)
Цель. Выявить, как образуется ветер, что ветер – это поток воздуха, что горячий воздух поднимается вверх, а холодный – опускается вниз.

Игровой материал. Две свечи, «змейка» (круг, прорезанный по спирали и подвешенный на нить).

Ход игры. Взрослый зажигает свечу и дует на неё. Дети выясняют, почему отклоняется пламя (воздействует поток воздуха). Взрослый предлагает рассмотреть «змейку»её спиральную конструкцию и демонстрирует детям вращение «змейки» над свечой (воздух над свечой теплее, над ней «змейка» вращается, но не опускается вниз, потому что её поднимает тёплый воздух). Дети выясняют, что воздух заставляет вращаться «змейку», и с помощью обогревательных приборов опыт выполняют самостоятельно

Взрослый предлагает детям определить направление движения ветра сверху и снизу дверного пройма. Дети объясняют, почему направление ветра разное (тёплый воздух в квартире поднимается и выходит через щель вверху, а холодный тяжелее, и он входит в помещение снизу; через некоторое время холодный воздух нагреется в помещении, поднимется вверх и выйдет на улицу через щель вверху, а на его место снова и снова будет приходить холодный воздух). Именно так возникает ветер в природе. Зарисовывают результаты опыта.
ПОДВОДНАЯ ЛОДКА.
Цель. Обнаружить, что воздух легче воды; выявить, как воздух вытесняет воду, как воздух выходит из воды.

Игровой материал.изогнутая трубочка для коктейля пластиковые стаканы, ёмкость с водой.

Ход игры. Дети выясняют, что произойдёт со стаканом, если его опустить в воду, сможет ли он сам подняться со дна. Они выполняют действия: погружают стакан в воду, переворачивают его вверх дном, подводят под него изогнутую трубочку, вдувают под него воздух. В конце опыта делают выводы: стакан постепенно заполняется водой, пузыри воздуха выходят из него; воздух легче воды – попадая в стакан через трубочку, он вытесняет воду из – под стакана и поднимается вверх, выталкивая из воды стакан.

УПРЯМЫЙ ВОЗДУХ (1)
Цель. Обнаружить, что воздух при сжатии занимает меньше места; сжатый воздух обладает силой, может двигать предметы.

Игровой материал. Шприцы, ёмкость с водой (подкрашенной).

Ход игры. Дети рассматривают шприц, его

устройство (цилиндр, поршень) и демонстрируют действия с ним: отжимают поршень вверх, вниз без воды; пробуют отжать поршень, когда пальцем закрыто отверстие; набирают воду в поршень, когда он вверху и внизу. Взрослый предлагает детям объяснить результаты опыта, рассказать о своих ощущениях при выполнении действий. В конце опыта дети выясняют, что воздух при сжатии занимает меньше места; сжатый воздух обладает силой, которая может двигать предметы.
УПРЯМЫЙ ВОЗДУХ (2)
Цель. Обнаружить, что воздух при сжатии занимает меньше места. Сжатый воздух обладает силой, может двигать предметы.

Игровой материал. Пипетки, ёмкость с водой (подкрашенной).

Ход игры. Дети рассматривают устройство пипетки (резиновый колпачок, стеклянный цилиндр).проводят опыт аналогично предыдущему (сжимают и разжимают колпачок).
СУХОЙ ИЗ ВОДЫ

(1 вариант – Салфетка в стакане)
Цель. Определить, что воздух занимает место.

Игровой материал. Ёмкость с водой, стакан с прикреплённой на дне салфеткой.

Ход игры. Взрослый предлагает детям объяснить, что означает «выйти сухим из воды», возможно ли это, и выяснить, можно ли опустить стакан в воду и не намочить лежащую на дне салфетку. Дети убеждаются, что салфетка на дне стакана сухая. Затем переворачивают стакан вверх дном, осторожно погружают в воду, не наклоняя стакан до самого дна ёмкости, деле поднимают его из воды, дают воде стечь, не переворачивая стакан. Взрослый предлагает определить, намокла ли салфетка (не намокла), объяснить, что помешало воде намочить её (воздух в стакане) и что произойдёт с салфеткой, если наклонить стакан (пузырьки воздуха выйдут, а его место займёт вода, салфетка намокнет). Дети самостоятельно повторяют опыт.
СУХОЙ ИЗ ВОДЫ.

Читайте также:  Чем можно заменить микроволновку для разогрева пищи

(2 вариант – Флажок на бруске)
Цель. Определить, что воздух занимает место.

Игровой материал. Ёмкость с водой, деревянные бруски с флажками, банки (в них должен свободно входить брусок с флажком).

Ход игры. Взрослый предлагает детям опустить брусок в воду, понаблюдать, как он плавает. Выясняют, почему он не тонет (дерево легче воды), как можно его утопить (опустить на дно), не намочить (опускать в воду, накрыв банкой). Дети самостоятельно выполняют действия. Обсуждают, почему брусок не намок (потому что в банке находится воздух).
ЧТО БЫСТРЕЕ?
Цель. Обнаружить атмосферное давление.

Игровой материал. Два листа писчей бумаги.

Ход игры. Взрослый предлагает подумать, если одновременно выпустить из рук два листа: один горизонтально, другой вертикально (показывает, как держать в руках), то какой быстрее упадёт. Слушает ответы, предлагает проверить. Сам демонстрирует опыт. Почему первый лист падает медленно, что его задерживает (воздух давит на него снизу). Почему второй лист падает быстрее (он падает ребром, и поэтому воздуха под ним меньше).Дети делают вывод: вокруг нас воздух, и он давит на все предметы (это атмосферное давление).
ФОКУС «ПОЧЕМУ НЕ ВЫЛЕВАЕТСЯ?»
Цель. Обнаружить атмосферное давление.

Игровой материал. Стаканы с водой, почтовые открытки.

Ход игры. Взрослый предлагает детям перевернуть стакан, не пролив из него воды. Дети высказывают предположения, пробуют. Затем взрослый наполняет стакан водой до краёв, покрывает его почтовой открыткой и, слегка придерживая её пальцами, переворачивает стакан вверх дном. Убирает руку – открытка не падает, вода не выливается (если только бумага совершенно горизонтальна и прижата к краям). Почему вода не выливается из стакана, когда под ним лист бумаги (на лист бумаги давит воздух, он прижимает лист к краям стакана и не даёт воде вылиться, т. е. причина – воздушное давление).
САМОДЕЛЬНЫЙ ТЕРМОМЕТР
Цель. Продемонстрировать, как воздух расширяется при нагревании и выталкивает воду из сосуда.

Игровой материал. Стеклянная трубка или стержень (прозрачный) от шариковой ручки, бутылочка 50-100 мл, немного подкрашенной воды.

Ход игры. Дети рассматривают «термометр»: как он работает, его устройство (бутылочка, трубочка и пробка); с помощью взрослого изготавливают модель термометра. Проделывают шилом отверстие в пробке, вставляют её в бутылочку. Затем набирают каплю подкрашенной воды в трубочку и втыкают трубку так, чтобы капля воды не выскочила. Бутылочка нагревается в руках, капелька воды поднимается вверх.
ВЕРТУШКА
Цель. Выявить, что воздух обладает упругостью. Понять, как может использоваться сила воздуха (движение)

Игровой материал. Вертушка, материал для изготовления на каждого ребёнка: бумага, ножницы, палочки, гвоздики.

Ход игры. Взрослый показывает детям вертушку в действии. Затем обсуждает вместе с ними, почему она вертится (ветер ударяет в лопасти, которые повёрнуты к нему под углом, и этим вызывает движение вертушки). Взрослый предлагает детям изготовить вертушку по алгоритму, рассмотреть и обсудить особенности её конструкции. Затем организует игры с вертушкой на улице; дети наблюдают, при каких условиях она вертится быстрее.
РЕАКТИВНЫЙ ШАРИК.
Цель. Выявить, что воздух обладает упругостью. Понять, как может использоваться сила воздуха (движение).

Игровой материал. Воздушные шары.

Ход игры. Дети с помощью взрослого надувают воздушный шар, опускают его и обращают внимание на траекторию и длительность его полёта. Выясняют, что для того, чтобы шарик дольше летел, надо его больше надуть:воздух, вырываясь из «горлышка», заставляет двигаться шарик в противоположную сторону. Взрослый рассказывает детям, что такой же принцип используется в реактивных двигателях.
СОЛОМЕННЫЙ БУРАВЧИК.
Цель. Выявить, что воздух обладает упругостью. Понять, как может использоваться сила воздуха (движение).

Игровой материал. Сырые картофелины, по две соломинки для коктейля (на каждого ребёнка).

Ход игры. Дети берут соломинку за верхнюю часть, не закрывая верхнего отверстия пальцем; затем с высоты 10 см резким движением втыкают её в картофелину; наблюдают, что случилось с соломинкой (она согнулась, не воткнулась) вторую соломинку берут за верх, закрывая на этот раз верхнее отверстие пальцем; также втыкают резко в картофелину и наблюдают, что случилось с соломинкой (она воткнулась). Дети выясняют, что внутри второй соломинки есть воздух, который давит на стенки и не даёт ей согнуться. Дети делают вывод: в первом случае воздух свободно вышел из соломинки и она согнулась; во втором случае – воздух не мог выйти из соломинки, так как отверстие было закрыто. К тому же при попадании картофеля в соломинку давление ещё больше возросло, укрепив стенки соломинки.

Цель. Выявить, что воздух обладает упругостью. Понять, как может использоваться сила воздуха (движение).

Игровой материал. Парашют, игрушечные человечки, ёмкость с песком.
СВЕЧКА В БАНКЕ.
Цель. Выявить, что при горении изменяется состав воздуха (кислорода становится меньше), что для горения нужен кислород. Познакомиться со способами тушения огня.

Игровой материал. Свеча, банка, бутылка с обрезанным дном.
КАК ЗАДУТЬ СВЕЧУ ИЗ ВОРОНКИ.
Цель. Выявить особенности воздушного вихря.

Игровой материал. Свеча, воронка.
КРЕПКИЙ СПИЧЕЧНЫЙ КОРОБОК.
Цель. Определить упругость воздуха.

Читайте также:  Изготовление силиконовых чехлов для телефона

Игровой материал. Спичечные коробки.
БОЛЬШИЕ – МАЛЕНЬКИЕ.
Цель. Выявить, что воздух при охлаждении сужается, а при нагревании расширяется (занимает больше места).

Игровой материал. Пластиковые бутылки с пробками, воздушный шарик, монетка.
ФОКУС «СУХИМ ИЗ ВОДЫ»
Цель. Продемонстрировать существование атмосферного давления, то, что воздух при остывании занимает меньший объём (сжимается).

Игровой материал. Тарелка с водой, покрывающей дно, монета, стакан.

ПОЧЕМУЧКИНЫ ВОПРОСЫ.
Цель. Анализировать и дать выводы на основе знаний о свойствах воздуха: тёплый воздух поднимается вверх, т. е.легче холодного; воздух плохо проводит тепло.

Игровой материал. Папиросная бумага, подставка с иглой.

Ход игры. Взрослый предлагает изготовить вертушки из тонкой папиросной бумаги: вырезать прямоугольник, перегнуть его по средним линиям и снова расправить (найден центр тяжести), положить бумажку на острие торчащей иглы так, чтобы игла подпирала её именно в той точке. Осторожно приближают руку – начинается вращение бумажки, отдаляют – вращение прекращается. Делают вывод: воздух поднимается снизу вверх, напирая на бумажку и заставляя её вращаться, так как бумажка в месте сгибов имеет уклон.

Рис. 1. Условно показана молекула кислорода на рычажных весах (детские качели) при разных температурах окружающей атмосферы. a – из наблюдений; b – по Эйнштейну.

Зададимся вопросом в стиле Якова Перельмана: какой воздух тяжелее холодный или теплый? После этого посмотрим ответы на форуме в интернете (ответы обозначены цифрами): 1) теплый; 2) холодный;3) холодный конечно; 4) тёплый воздух поднимается вверх, он легче; 5) холодный, поэтому он внизу всегда; 6) конечно теплый!; 7) тяжелей холодный, он опускается вниз, а теплый поднимается, значит легче; 8) тяжелее влажный воздух!; 9) холодный, вспомни, когда зимой открываешь форточку; 10) это и в садике знают, что тёплый легче, поэтому вверх стремится.

На тяжесть холодного воздуха ставок гораздо больше.

Мы народ северный и нас на таком вопросе не проведешь, открывая зимой форточку, наблюдаем, как холодный воздух буквально врывается в комнату, падает вниз к нашим ногам и расстилается по полу комнаты. А может он хочет нам поклониться за широкое гостеприимство? Не знаю, но это подтверждается визуально, когда холодный воздух, увлекая частицы пара, превращает их в видимый шлейф при конденсации. После чего выносится вердикт: холодный воздух тяжелее теплого, поэтому он устремляется вниз. Очередная зима, подкрепляет наши наблюдения и укрепляет правоту сказанного. Объясняем мы это плотностью – холодный воздух более плотный, теплый более разреженный.

Иногда для объяснения притягивают влажность воздуха. Поскольку, в зимний период на улице влаги больше, то влажный воздух должен весить якобы больше. Воздух – это смесь газов, состоящая на три четверти из азота и почти на четверть из кислорода и некоторого количества водяного пара. Количество остальных газов пренебрежимо мало, их не учитываем. Средняя молекулярная масса воздуха 29, молекулярная масса водяного пара 18. Об этом говорит и, упомянутый выше, Я. Перельман: «При одинаковом давлении и температуре кубометр влажного воздуха не тяжелее, а легче, чем кубометр сухого воздуха» [1].

Для выяснения сути данного явления в бытовых условиях можно пойти в баню, и пока не вспотели, понаблюдать за движением пара. Кто в баню не ходит пусть поставит эксперимент на своей кухне и нагреет кастрюлю с водой. Как только кастрюля закипит, пар с завихрениями устремится вверх, под купол вытяжной вентиляции. В бане этот процесс выражен еще более контрастно, первый ковш воды, брошенный на раскаленные камни, выбрасывает вверх белый шлейф пара. Мы видим восходящий паровой поток, который буквально вонзается в потолок, растекается по нему, стараясь его приподнять, и, постепенно охлаждаясь, начинает оседать, а затем конденсироваться на холодных металлических трубах.

По сравнению с окружающим воздухом пар перегрет, поэтому его молекулы более энергонасыщены.

Можно ли доверять нашим органолептическим органам? Для начала необходимо разобраться, почему холодный воздух уплотняется?

2. Почему плотность холодного воздуха больше чем теплого?

На самом ли деле теплый воздух легче холодного. Давайте проверим это утверждение и взвесим две молекулы кислорода теплую, при температуре +20º С и холодную, при температуре 0º С. Но как это сделать, на каких весах измерить разницу веса между молекулами? Судя по рисунку, автору удалось это сделать с помощью рычажных весов (детской качели).

Трудность заключается еще и в том, что мы не сможем в земных условиях точно оценить вес даже, заключенных в оболочку, достаточно больших одинаковых объемов воздуха. Оценке мешает эффект плавучести (статья «Гравитационная температура»). Остается одно, разобраться с этим явлением с энергетической точки зрения. Если мы возьмем молекулы одного и того же газа, но при разных температурах, то понятно, что молекула, имеющая более высокую температуру, будет более энергонасыщена и будет иметь более высокую скорость перемещения.

А за счет какой энергии вообще молекулы перемещаются? Классическая молекулярно-кинетическая теория на этот вопрос не дает вразумительного ответа. Этот физический процесс был основательно исследован в главе «Броуновское движение». Молекулы двигаются благодаря энергии импульсов придачи «вперед за снарядом». Под действием этих импульсов электромагнитного крафонного (краснофотонного) излучения, молекулы пара стремительно разлетаются в разные стороны, но в большей степени вверх (область пониженного давления), тем самым, разреживая и освобождая пространство, в которое устремляется новые молекулы. Те, в свою очередь, поступают как первые. Тем самым мы видим восходящий поток пара. Этот процесс в динамике идет по нормали до первой преграды – потолка.

Читайте также:  Как проверить акселерометр андроид

Попутно еще один вопрос: за счет чего уплотняется холодный воздух?

Конвективные перемещения осуществляются за счет разности давлений, разности температур и гравитации. Холодный воздух из открытой форточки непрерывным потоком падает на пол нашей комнаты. Да, температура холодного воздуха ниже, чем теплого и что из этого следует? Ранее было выяснено, что гравитация квантуется, т.е. передается импульсами. Количество этих импульсов гравитационного излучения земли и нашего пола распределяется по всей поверхности примерно одинаково. Тогда остается излучение самих молекул воздуха. Молекулы имеют маленькую массу и охотно отзываются на собственный импульс придачи, после чего устремляются в том же направлении отстрела этого импульса. Статистически у теплых молекул частота излучения выше, чем у холодных. Они чаще отстреливают свои импульсы в пространство, где меньше давление, поэтому теплые молекулы летят в сторону потолка, освобождая место холодным. Получается, за счет этого электромагнитное, гравитационное излучение земли подтягивает к полу в большей степени холодный воздух, соответственно, теплый выталкивается вверх. Холодные молекулы имеют меньшую скорость, поэтому находятся в более плотном состоянии. Вот по такой технологии идет конвекция в любой газовой среде.

Теплый воздух в комнате выходит из температурного равновесия и постепенно внедряется в ряды холодного, отдавая часть своей теплоты.

3. Эйнштейн против Клайперона и Менделеева

Рис. 2. На рисунке условно показано равное количество молекул азота (1) и молекул кислорода (2), находящихся при разных температуре и занимающих не равные объемы. a – при высокой температуре; b – при низкой температуре.

Обычно объясняют, что холодный воздух выталкивает теплый и тот поднимается вверх. На самом деле никто никого не толкает и не выталкивает. Весь воздух подвержен притяжению Земли и эта энергия его подпитывает. В зависимости от энергонасыщенности происходит температурная сегрегация по высоте расположения. Молекулы теплого воздуха имеют большую скорость перемещения, они разлетаются на большие расстояния, происходит больше столкновений между ними и они занимают больший объем (рис. 2а).

А теперь для доказательства равенства масс молекул, находящихся под разным тепловым потенциалом, я призвал на помощь два уравнения из классической физики.

1) уравнение состояния для идеального газа Клайперона-Менделеева.

Где, m – масса газа, P – давление, V – объем, M – молярная масса, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура.

Замечание, сейчас принято обозначать температуру греческой буквой Θ (Тэта). Чтобы не нарушать написание известной формулы оставим символ Т.

Из (2) видно, что при повышении температуры, увеличивается V (при постоянном давлении P). При этом масса газа (воздуха) остается постоянной.

2) Уравнение Эйнштейна. Энергия излучения связана с его массой.

Подставив в формулы (3, 4) реальные значения, можно убедиться без лишних доказательств, что кубовый объем газа, имеющий меньшую энергию Е (температуру и скорость молекул) будет иметь и меньшую массу.

Тогда можно заключить, что холодный воздух легче теплого, и должен подниматься вверх, а он падает вниз. Вот где нелогичная конвекция и Эйнштейн против Клайперона и Менделеева.

В чем же дело? А дело в серьезном разбирательстве, связанном со знаменитой формулой. Если в расчете использовать формулу (3), то килограммовый куб воздуха будет иметь энергию 9·10 16 Дж. Данная величина приблизительно равна электрической энергии 3∙10 10 кВт∙ч! Такое количество электроэнергии потребляют США за один день! Невероятно, но где энергия? А ее, увы, не видно.

Этому разбирательству посвящена отдельная статья под названием: «Энергия покоя». А сейчас, чтобы выбраться из создавшейся коллизии введем в данное уравнение энергетический коэффициент GE.

T – температура тела в Кельвинах

Tmax – максимально возможная температура вещества в природе.

Используя в расчетах уравнение (7) можно убедиться, что при прочих равных условиях, массы холодного и теплого воздуха будут равны. Такой же расчет дает по формуле (2) Клайперона-Менделеева и противостояние с Эйнштейном прекращается. И что самое главное, энергия газового куба снижается до удобоваримого значения, на десять порядков! Все расчеты привели меня к заключению, что уравнение Эйнштейна не общее, а частное, для максимального значения температуры при GE=1.

Электромагнитное, крафонное излучение Земли постоянно мониторит пространство и подтягивает атмосферу с паром вниз, но теплый воздух всегда оказываются наверху. Это происходит потому, что холодные молекулы реже отстреливают свои крафоны придачи в окружающее пространство из-за их меньшей энергонасыщенности.

Теплый воздух в комнате находится в термодинамическом равновесии, поэтому его молекулы продолжают хаотично двигаться, постепенно внедряясь в ряды холодного, отдавая часть своей теплоты.

Несмотря на то, что холодный воздух находится всегда внизу, масса теплых и холодных молекул остается одинаковой.

Конвективные перемещения в жидкости можно объяснить аналогичным способом.

Объемная плотность газа существенно зависит от температуры газа.

Как было указано выше, более горячий газ устремляется вверх не из-за его легкости, а по причине поднятия молекул за счет крафонного излучения. По сути, о какой легкости или тяжести мы говорим, каждая молекула находится во взвешенном состоянии, но не в какой-то среде, а фактически, в вакууме. Равные по массе и одинаковой температуре молекулы будут иметь одинаковый объемный вес. Известно, если охладить кубометр воздуха, то получим 1,2 литра в жидком состоянии. Отсюда вопрос: какое вещество занимает 998,8 литра этого объема воздуха, если мы уберем энергию расширения, то есть теплоту?!

  1. Перельман Я.И., Знаете ли вы физику? «ТЕРРА», М. 2007
Комментировать
2 420 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock
detector