Частицы воздуха «летают»? Если нет, то как они остаются на плаву? [дубликат]

Я читал свой старый учебник по физике (из средней школы), и в нем что-то упоминалось об идее наличия несуществующих сил притяжения между частицами, такими как воздух. «Мы бы жили в очень скучном мире».

Это заставило меня задаться вопросом, что произошло бы, если бы не было связей между частицами воздуха, или что, если бы частицы воздуха однажды полностью перестали двигаться?

Будут ли все частицы воздуха просто опускаться на землю? (притягивается силой тяжести)

Отсюда вопрос: как частицы воздуха вообще «держатся на плаву»?

Что такое частица в вашем понимании? Что такое «связь между частицами»? Похоже, вы используете термин «частица» в качестве прикрывающего термина как для атомов, так и для молекул.
Да, это странный набор утверждений: частицы воздуха не сильно притягиваются друг к другу?
Представьте себе комнату с шариками для манежа, где постоянно трясется пол. Мячи будут отскакивать друг от друга, все еще находясь под действием гравитации, но никогда не оседая на землю. Сотрясающийся пол добавляет кинетической энергии, достаточной для преодоления гравитации и сил притяжения, как это делает солнечное тепло. Ближе к полу все равно было бы больше шаров из-за веса тех, что выше — Давление и плотность. Если пол перестанет трястись/Солнце перестанет светить, то шары/частицы быстро потеряют свою кинетическую энергию/тепло и осядут/замерзнут слоем на земле.
Вы спрашиваете о различных молекулах в атмосфере или о пыли, пыльце и т. д., которые плавают вокруг, смешиваясь с атмосферой?
Частицы воздуха летают, как в движении по воздуху? Тогда да! ;)
how do air particles "stay afloat" in the first place- Очень грубый ответ состоит в том, что их сбивают частицы, находящиеся под ними, которые сбиваются с частицами, находящимися под ними, которые... сбиваются с частицами, отскакивающими от земли. На самом деле все немного сложнее, но суть в этом.

Ответы (5)

Я перечислю ваши вопросы и отвечу на них один за другим.

  1. что, если частицы воздуха однажды полностью перестанут двигаться?

Этот сценарий происходит, когда температура очень низкая. Для полного отсутствия движения вам потребуется абсолютный нуль температуры. Но задолго до абсолютного нуля вы попадаете в другой случай: газ превращается в жидкость, а затем, когда становится еще холоднее, в твердое тело (за исключением особых случаев, таких как гелий). Формирование жидкости обычно связано с силами притяжения между молекулами, но даже если бы сил притяжения не было, газ в конечном итоге превратился бы в жидкость. Затем он лежал бы в большой луже на земле (пока мы все умираем от недостатка кислорода).

  1. Будут ли все частицы воздуха просто опускаться на землю? (притягивается силой тяжести)

да, см. предыдущий ответ.

  1. Отсюда вопрос: как частицы воздуха вообще «держатся на плаву»?

Они остаются на плаву при столкновениях. Все частицы действительно падают под действием силы тяжести, но они также сталкиваются друг с другом. Вы можете догадаться, что через некоторое время они в среднем будут опускаться все ниже и ниже, но вместо этого происходит то, что на дне больше частиц, то есть плотность выше, чем наверху. А те, что в самом низу, ниже не опускаются, потому что отскакивают от земли. Если бы они прилипали к земле, то вся атмосфера сама падала бы и падала, пока вся не прилипла бы к земле. Но они отскакивают и таким образом создают слой газа у земли. Затем этот слой поддерживает слой над ним из-за столкновений: частицы, прибывающие сверху, снова отскакивают вверх. И этот слой, в свою очередь, поддерживает тот, что над ним. И так далее.

Так что вся атмосфера динамична: между столкновениями каждая частица имеет нисходящее ускорение. При столкновении две частицы отскакивают друг от друга. Нижняя плотность выше, что приводит к большему количеству столкновений направленных вверх частиц, движущихся вниз, чем частиц, движущихся вверх.

Все это можно точно отразить в уравнениях, но я догадался, что вы предпочли картинку на словах.

3Б. Но что, если бы молекулы в воздухе не сталкивались друг с другом, а только с землей. Будет ли тогда падать атмосфера?

Это добавленный абзац, предложенный мне некоторыми полезными комментариями nanoman. Он указывает, что в сценарии, когда молекулы не сталкиваются друг с другом, они все равно взлетят высоко в атмосферу после отскока от земли, следуя огромным параболам высотой около 10 километров, и в целом распределение плотности останется прежним. ! В этом случае атмосфера истончается по мере того, как вы поднимаетесь вверх, потому что меньше молекул с достаточной энергией, чтобы подняться на такую ​​высоту. Вышеупомянутое обсуждение с точки зрения слоев подходит для реальной атмосферы, потому что в среднем молекулы проходят только крошечные расстояния (менее микрона), прежде чем столкнуться.

PS Хочу добавить, что слово «отскок» не совсем подходит для обозначения того, что происходит, когда молекулы воздуха ударяются о землю. На самом деле они в основном появляются и задерживаются на очень короткое время, называемое «время пребывания», а затем их пинают или стряхивают, и они удаляются в случайном направлении. Энергия молекул, вылетающих из этого процесса, в среднем равна энергии теплового равновесия, с которой они прибыли. Таким образом, после усреднения по времени чистый эффект подобен подпрыгиванию.

Что касается вопросов № 1 и № 2, я рекомендую прочитать классический научно-фантастический рассказ Фрица Либера «Ведро с воздухом» .
Мне кажется, может быть, добавить уравнения для более любознательных читателей?
Распределение молекул в газе практически одинаково, даже если они не сталкиваются друг с другом. Все, что вам нужно, это то, что когда молекула ударяется о землю (или другую границу), она отскакивает. Между такими скачками каждая молекула могла бы двигаться по идеальной параболе. Средняя энергия молекулы в атмосфере могла бы поднять ее на несколько километров вверх без столкновений.
Если я правильно понимаю, в чем причина того, что молекулы воздуха не исчерпывают энергию из-за внешних источников тепла? Была бы атмосфера тоньше (менее высокой), если бы солнце давало меньше тепла?
@IvoBeckers Да. Есть входящее тепло от солнца и исходящее инфракрасное излучение в космос. Результатом является наблюдаемый температурный профиль. Если бы солнца было меньше, температура была бы ниже, и тогда в равновесии атмосфера была бы более плотной и не такой высокой.
@nanoman Мне нравится ваш комментарий о параболических траекториях, хотя я подозреваю, что результирующее распределение плотности может быть другим, потому что частицы в среднем проводят больше времени вверху, а не внизу траектории своего полета.
Я предполагаю, что в море воздушной слякоти около 0K не было бы достаточно времени, чтобы заметить нехватку кислорода ;-). Другая деталь заключается в том, что «ниже плотность выше, что приводит к большему количеству столкновений» — правда; но важно то, что из-за градиента давления больше столкновений , направленных вверх . Именно это удерживает частицы на плаву, и это верно (относительно) независимо от направления движения частицы.
Мне не нравится твой постскриптум. Они не «отклеиваются и не отлетают», и крайне неверно говорить «с той же энергией, с которой они прилетают». Скорее, их обычно отталкивают, и поскольку воздух у земли примерно находится в равновесии, энергия, которая передается им при отталкивании, в среднем такая же, как энергия, которую они имели по прибытии.
@ user21820 спасибо; в вашем комментарии более точно указано, что подразумевается под словами "в среднем" в моем постскриптуме.
Пожалуйста, но почему бы просто не отредактировать, чтобы исправить это, тогда я смогу удалить свои комментарии? (Длинные комментарии к SE не читаются значительной частью читателей.) И чтобы прояснить, почему это вводит в заблуждение, люди, не связанные с наукой, которые читают ваш постскриптум, могут подумать, что он застревает, но все еще держится за свою энергию. прибытия и, следовательно, когда он отклеивается, он уходит с той же энергией...
@user21820 готово
Хм, извините, но мне все еще не нравится "отлипать" по причине, которую я объяснил. Пока это не разъяснено для устранения двусмысленности для ненаучных читателей (которые понятия не имеют, что такое «тепловое равновесие»), я оставлю свои комментарии.
@AndrewSteane Нет, это работает. Каждая молекула проводит больше времени на вершине своей траектории, но меньшее количество молекул имеет достаточно энергии, чтобы достичь больших высот. Свободное падение экономит энергию ЧАС "=" п 2 / 2 м + м г г и элемент фазового пространства д 3 р д 3 п , поэтому он сохраняет равновесное распределение ф ( р , п ) "=" е − ЧАС / к Т . Другой способ увидеть это: это ф является устойчивым решением бесстолкновительного уравнения переноса Больцмана. Поэтому я думаю, что столкновениям следует преуменьшить значение в вашем ответе. Они имеют значение для динамики атмосферы , но не для профиля равновесия.
@nanoman О, да, какое прекрасное понимание. Если бы вы хотели добавить это в качестве дополнительного ответа, я бы направил к нему читателей.
@AndrewSteane Спасибо, я мог бы это сделать - или, если вы согласны со мной, вы могли бы улучшить свой ответ, удалив материал о том, что «Они остаются на плаву при столкновениях». Атмосфера была бы такой же высокой без столкновений.
@nanoman хорошо подождите: средний свободный пробег крошечный. Так они остаются на плаву при столкновениях. Если бы не было столкновений, то они совершали бы те огромные параболы, о которых вы упомянули.
@AndrewSteane Думаю, есть разница в интерпретации. Вы изучаете, почему отдельные молекулы воздуха остаются на плаву в течение длительных периодов времени, а я смотрю, почему молекулы вместе остаются на плаву (т. е. значительное их количество всегда находится высоко над землей). Я думал, что последний реагирует на OP, и для объяснения не требуются коллизии.
@AndrewSteane Меня беспокоит, что ваш ответ может создать впечатление, что если бы мы могли «отключить» столкновения, большая часть атмосферы рухнула бы на землю. Динамика и детализированные вариации атмосферы значительно изменились бы, но она не разрушилась бы и сохранила почти ту же общую среднюю структуру.
@nanoman да, я немного отредактирую ответ. Добавьте один, если хотите.

Они остаются в стороне, потому что они движутся. Типичная скорость молекулы воздуха в атмосфере составляет 450 метров в секунду (скорее, чем скорость звука). Когда они ударяются друг о друга, они отскакивают друг от друга.

Откуда мы знаем, что молекулы движутся? Предположим, что мы накачиваем воздух в закрытый контейнер. Мы можем обнаружить, что захваченный воздух оказывает давление на внутреннюю часть контейнера. Это именно то, что произошло бы, если бы быстро движущиеся молекулы постоянно сталкивались с ним. Но, можно сказать, могут быть и другие причины давления. Необходимы лучшие доказательства движения молекул. Таким доказательством может быть броуновское движение , в данном случае наблюдаемое покачивающее движение частиц (например, пыльцевых зерен), достаточно больших, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, в воздухе. [Молекулы воздуха слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, но они толкают более крупные частицы, которые мы можем видеть.]

Что заставляет молекулы воздуха двигаться так? Они делают это естественно. Ученым давно известно, что температура является мерой того, насколько быстро движутся молекулы газа, или, если быть более точным, средней кинетической энергии молекул. И это поддерживается энергией, излучаемой Солнцем. Если температура упадет очень-очень низко, молекулы почти перестанут двигаться и скопятся на земле. [Конечно, произойдет разжижение, но это уже другая история.]

Точка зрения @ Стивена о нехватке места на земле также может быть описана с точки зрения отсутствия достаточного количества энергетических состояний у земли. Возьмем другой знакомый пример: когда вы наполняете ванну, вода «скапливается»; некоторые молекулы идут снизу, поэтому идут над ними и имеют немного больше GPE, и так далее. (Если вы конкретизируете эту идею дальше, используя энергию как общую, а не высоту, вы получите уровни Ферми для частиц с подходящим электростатическим потенциалом.)

Вероятность занятия при энергии Е пропорциональна опыт ⁡ ( − β Е ) , с β термодинамическая бета . приближение Е ≈ м г час для массы- м частицы делают этот фактор опыт ⁡ ( − β м г час ) , поэтому воздух экспоненциально разрежается с увеличением длины 1 β м г "=" к Б Т м г , что составляет несколько километров. Вот почему давление воздуха ниже на вершине горы. Неудивительно, что при этом двуокись углерода разжижается быстрее (т. е. с более короткой шкалой длины), чем аргон, который разжижается быстрее, чем кислород, который разжижается быстрее, чем азот.

Вы как бы добавили немного энтропии в качестве задним числом к ​​модели квантовой вырожденной материи. Хотя на самом деле все дело в энтропии, а модель вырожденной материи совершенно неверна (согласно комментарию Майкла Сейферта).
@ComptonScattering Действительно, я хотел добавить, что ванна оказывается мельче, чем реальная атмосфера, и больше похожа на модель, которую он опроверг, потому что негравитационные силы между молекулами воды еще важнее и приводят к тому, что они сближаются вместе. Но в обоих случаях существует некоторое соотношение энергии и высоты, которое приводит к тому, что не все частицы находятся на одной высоте.
Да, в конце концов, вы получили правильную физику. Но, если говорить прямо, правильной отправной точкой будет тот факт, что атмосфера минимизирует свою свободную энергию, а не энергию.

Короче говоря, молекулы воздуха остаются на плаву, потому что они отскакивают от земли и других молекул воздуха. Вот видео, демонстрирующее это с помощью простого моделирования, полностью основанного на кинематических принципах: https://www.youtube.com/watch?v=vwk4mSFFop0

Что, по-видимому, осталось не упомянутым в других ответах, так это то, что молекулы воздуха действительно падают на землю: воздух на больших высотах и ​​более разреженный, и более холодный, что является отражением компромисса между кинетической и потенциальной энергией молекулы (понимая, что средняя кинетическая энергия молекул равна температуре, и что только молекулы с высокой энергией могут подняться очень высоко).

Обновить
Чтобы немного расширить с учетом последующего обсуждения:
барометрическая формула предсказывает, что атмосферное давление уменьшается с высотой. Формула получена в предположении, что атмосфера находится в равновесии, т. е. может быть охарактеризована больцмановской температурой и постоянным распределением ( изотермическая атмосфера ), так что средняя энергия каждой молекулы равна

⟨ Е ⟩ "=" ⟨ м в 2 2 ⟩ + ⟨ м г час ⟩ "=" 3 2 к Б Т
(без учета вращательных и колебательных степеней свободы) и, следовательно, кинетическая энергия уменьшается с высотой - молекулы «падают» на землю.

В действительности атмосфера не имеет постоянной температуры и не находится в тепловом равновесии: нижняя часть атмосферы имеет более высокую температуру, чем ее верхние слои, и теплый воздух постоянно поднимается вверх, а холодный «опускается». В рамках гидростатического подхода это моделируется как адиабатическая атмосфера , что приводит к уравнению для изменения температуры с высотой, см. Скорость отклонения . В этой теме есть хорошее обсуждение адиабатической атмосферы .

Вы уверены, что тот факт, что воздух наверху холоднее, связан с тем, что частицы теряют потенциальную энергию? Моя интуиция подсказывает, что большая стопка воздуха в равновесии будет иметь более высокую плотность внизу, но постоянную температуру повсюду. Но я не могу найти ссылку, поэтому я не уверен :/
@AccidentalTaylorExpansion воздух на больших высотах холоднее - это факт. Вы правы, но это зависит от того, что мы называем температурой - константа в распределении Больцмана (средняя энергия частиц) или средняя кинетическая энергия (это то, что мы воспринимаем как температуру на Эвересте).
@AccidentalTaylorExpansion, вы имеете в виду барометрическую формулу
@AccidentalTaylorExpansion разница на самом деле между адиабатической и изотермической моделями атмосферы - я подумаю о расширении своего ответа, чтобы включить обсуждение.
Я мог быть не совсем ясен, но я хотел провести различие между температурным градиентом, который существует, потому что атмосфера нагревается в основном снизу, и температурным градиентом, который может существовать или не существовать в изолированном столбе воздуха в равновесии.
Я нашел эту ссылку chem.libretexts.org/Bookshelves/… , где говорится: «Таким образом, уравнение говорит, что в равновесии температура и химический потенциал каждого компонента одинаковы для всей газовой смеси. Уравнение ничего не говорит о давлении». для изолированной системы, находящейся в равновесии.
@AccidentalTaylorExpansion Вы правы в том, что изменение температуры является результатом того, что атмосфера не находится в равновесии. См., например, здесь: earthscience.stackexchange.com/q/4227/20239
Частицы воздуха «летают»? Если нет, то как они остаются на плаву? [дубликат]
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v