Если температура есть количество кинетической энергии частиц, то как может быть холодный ветерок? [дубликат]

Средняя скорость молекулы воздуха может быть аппроксимирована следующим уравнением, которое точно только в случае идеального газа:

Это означает, что в$25$°С ($298$K) молекулы воздуха будут двигаться хаотично со средней скоростью$\simeq 467$РС.

Допустим, кондиционер охлаждает воздух на$15$°С ($288$K), прежде чем выдуть его в комнату. Тогда из приведенной выше формулы средняя молекулярная скорость будет равна$\simeq 459$РС.

Когда кондиционер выдувает воздух, он делает это в$0.1-0.3$м/с (1). Это означает, что в худшем случае движение$0.3$м/с накладывается на среднее движение, которое составляет около$460$м/с, более чем в тысячу раз быстрее.

Тогда вы можете увидеть, что движением воздушной массы в целом можно пренебречь: важна средняя молекулярная скорость в системе покоя воздушной массы.

Кроме того, даже если вы используете простой вентилятор вместо кондиционера, вы будете воспринимать поток воздуха, падающий на вашу кожу, как более холодный. Это известно как конвективное охлаждение. См., например , этот пост для простого объяснения.

(1) Источник

Здесь есть две вещи.

Природа тепла

Температура связана со случайным, ненаправленным движением. Так, например, в газе комнатной температуры у вас могут быть отдельные молекулы, которые сами движутся со скоростью$100~\textrm{ms}^{-1}$, однако в среднем скорость равна нулю.

Когда у вас есть движущееся тело из более холодного воздуха, это означает, что в среднем их кинетическая энергия ниже, но у них есть чистая скорость «дрейфа». То есть частицы имеют случайные скорости, что соответствует теплу, но поскольку они были «взорваны», их средняя скорость может быть$5~\textrm{ms}^{-1}$в одном конкретном направлении.

Почему ветер нас охлаждает

Тот факт, что ветерок охлаждает нас, лишь в малой степени связан с температурой воздуха. Рассмотрите свою руку, сидящую в неподвижном воздухе. Ваша рука отдает некоторую тепловую энергию окружающему ее слою воздуха. (В процессе нагревания этого воздуха ваша рука будет остывать). Теперь, если воздух неподвижен, то это конец истории. Однако когда дует ветерок, этот слой воздуха, который вы нагрели, уносится прочь. Он заменяется новым холодным воздухом, которому ваша рука может снова нагреть, что снова охладит вашу руку. Когда дует ветерок, в вашу руку постоянно подается свежий воздух, который она может согревать. А так дело не в том, что воздух более низкой температуры, а в том, что как только он прогревается, его сменяет новый набор холодного воздуха.

Ради интереса рассмотрим еще один подобный эффект. Скажи, что у тебя на руке немного воды. Когда эта вода испаряется, ей требуется тепло от вашей руки, поэтому испаряющаяся вода охлаждает вас. В неподвижном воздухе со временем воздух начнет содержать больше водяного пара, и поэтому процесс испарения будет медленнее. Однако, если мы вводим бриз, то мы приносим свежий новый сухой воздух, поэтому процесс испарения может происходить быстрее, и поэтому может быть отведено больше тепла. Вот почему, если вы лизнете свою руку, а затем подуете на нее, она охладится.

Суть в том, что температура — это ненаправленное движение частиц.

Рассмотрим очень простой пример двух молекул воздуха, летящих с$100m/s$друг от друга, один в +$x$-направление, другое в$-x$-направление. Тогда средняя направленная скорость равна$0$, однако средняя ненаправленная скорость, соответствующая температуре, равна +$100m/s$.

Теперь предположим, что вы ускоряете обе частицы на$+50m/s$, так что человек имеет скорость$-50m/s$и другие$+150m/s$. Тогда средняя направленная скорость равна$+50m/s$, то есть скорость ветра. Напротив, ненаправленный остается на$(150+50)/2 = 100m/s$- температура системы не изменилась.

Ветер — это не «группа молекул воздуха, движущихся в этом направлении». Ветер — это волна давления.

Скорость молекул воздуха того же порядка, что и скорость звука. Они летают, врезаются в предметы и в основном отскакивают. Вас окружает шквал мельчайших «метеоров», которые врезаются в вашу кожу и отскакивают во всех направлениях.

Что ж, эти метеоры в основном отскакивают друг от друга , потому что при 1 атм вещества настолько плотные, что средняя молекула проходит 68 нм, прежде чем столкнуться с другой молекулой.

Единственное, что не дает ему сбить вас с ног, так это то, что вас все время одинаково врезают со всех сторон.

Идеальный вакуум — это просто эффект того, что другая сторона врезается в вас и толкает вас туда без поддержки молекул на стороне вакуума. Пылесос уменьшает давление воздуха на крошечную величину, и таким образом он создает довольно большую силу.

«Ветер» — это относительно крошечная волна повышенного давления поверх этой фиолетовой каши из молекул воздуха. Мы это чувствуем, потому что с той стороны, откуда оно исходит, давление выше, а с другой стороны – ниже. Даже ураган представляет собой относительно небольшое изменение давления, и его достаточно, чтобы поднять и разрушить дома, деревья, автомобили и людей. Самый сильный ураган возникает из-за разницы атмосферного давления примерно в 10%! Этой разницы давления от края к центру достаточно, чтобы привести в действие ветры всей этой бури.

Ветер со скоростью 10 км/ч движется со скоростью 1% скорости звука, что примерно соответствует скорости движения молекул воздуха. Это макроскопическое движение является крошечным вкладом в среднюю кинетическую энергию молекул воздуха; у него примерно на 2% больше KE, чем у того же стационарного воздуха.

Ветер со скоростью 100 км/ч теперь движется со скоростью 10% скорости звука. Поскольку КЭ является квадратом скорости, в этот момент мы говорим примерно на 20% больше КЭ, чем тот же стационарный воздух.

Вам нужно приблизиться к скорости 700 км/ч, чтобы ветер имел столько же КЭ от своего макроскопического «ветрового» движения, сколько и от своего микроскопического «вибрационного» движения.

Теперь, как упомянул другой постер, скорость молекул воздуха на самом деле чуть выше скорости звука; звук — это волна, поэтому он не будет распространяться с той же скоростью, что и молекулы воздуха (он будет двигаться немного медленнее). Но это дает вам правильный порядок величины.