26. Тёплый воздух легче холодного

Определения и обозначения

Тёплый воздух — воздух, нагретый источником тепла и расширившийся при нагревании. Например, рядом с батареей воздух получает тепло от её поверхности. Понятие помогает понять, почему нагретая часть воздуха ведёт себя иначе, чем окружающая.

Холодный воздух — воздух с более низкой температурой, который при той же массе занимает меньший объём. Это не значит, что в нём обязательно меньше воздуха: речь идёт о том же количестве, которое стало плотнее. Такое определение помогает сравнивать воздушные потоки.

Плотность воздуха — величина, показывающая, сколько воздуха содержится в определённом объёме. Если в одинаковом объёме помещается больше воздуха, он плотнее. Это свойство нужно, чтобы объяснить, почему одни порции воздуха поднимаются, а другие опускаются.

Конвекция — перемещение воздуха, при котором тёплый воздух поднимается, а холодный опускается. Потоки движутся навстречу друг другу, а не по отдельности. Это понятие помогает описывать перенос тепла в комнате и других местах.

Как это устроено

Когда воздух нагревается, его частицы начинают двигаться быстрее и в среднем располагаются дальше друг от друга. Из-за этого порция воздуха расширяется: её масса остаётся той же, а объём становится больше. В большем объёме то же количество воздуха распределено реже, поэтому плотность уменьшается. Значит, одинаковый объём нагретого воздуха легче такого же объёма холодного.

Тёплый воздух поднимается не потому, что его кто-то тянет вверх, а потому, что вокруг него есть более плотный холодный воздух. Холодный воздух давит на тёплый и выталкивает его в область над собой. Так возникает движение вверх, пока воздух не охладится или не встретит условия, при которых его подъём прекратится. Поэтому над батареей можно почувствовать восходящий поток.

При охлаждении частицы воздуха движутся медленнее и располагаются ближе друг к другу. Порция сжимается, а её плотность увеличивается, потому что та же масса занимает меньший объём. Такой воздух оказывается тяжелее равного объёма тёплого воздуха. Поэтому он опускается, уступая место менее плотному воздуху.

Поднявшийся тёплый воздух постепенно отдаёт тепло окружающим предметам и охлаждается. Став плотнее, он опускается, а внизу снова может нагреться от печи или батареи. Так возникает круговое движение: тёплый поток идёт вверх, холодный возвращается вниз. Перемещение воздуха вместе с переносом тепла называют конвекцией.

Представь комнату, в которой работает батарея. Воздух рядом с ней нагревается и поднимается к потолку, затем движется по комнате и постепенно охлаждается. Более холодный воздух опускается и направляется к батарее, где снова получает тепло. Благодаря этому тепло распространяется не только от самой батареи, но и вместе с движущимся воздухом.

Сравнение тёплого и холодного воздуха

Сравнивай воздух при одинаковом объёме: так понятнее, почему тёплая порция легче холодной. Строки таблицы связаны между собой: нагревание вызывает расширение, а оно уменьшает плотность. Последние две строки показывают, как различие в плотности создаёт движение воздуха.

Разбор задач

Почему над работающей батареей воздух поднимается вверх?

Условие. Батарея нагревает воздух рядом с собой, и нужно объяснить направление его движения. Здесь не требуется измерять температуру или массу. Нужно проследить, как нагрев меняет свойства воздуха.

1. Сначала устанавливаем, что воздух получает тепло от батареи.
2. Нагретый воздух расширяется, поэтому его плотность становится меньше.
3. Более плотный воздух вокруг выталкивает менее плотный вверх.

Ответ. Над батареей воздух поднимается, потому что нагревается и становится менее плотным. Окружающий холодный воздух вытесняет его вверх. Затем потоки воздуха участвуют в конвекции.

Почему форточку для проветривания зимой часто открывают в верхней части окна?

Условие. Зимой в комнату через форточку может поступать холодный воздух. Нужно связать место открытия окна с движением воздушных потоков. При этом следует помнить, что воздух в комнате не остаётся неподвижным.

1. Холодный воздух с улицы плотнее тёплого комнатного, поэтому он стремится опускаться.
2. Тёплый воздух в комнате поднимается вверх и скапливается у верхней части помещения.
3. Открыв верхнюю часть окна, дают возможность воздуху обмениваться и выходить наружу; направление потоков зависит от разницы температур и условий в комнате.

Ответ. Верхняя форточка помогает проветрить помещение, где тёплый воздух поднимается к потолку. Через открытое окно воздух может выходить, а холодный поступающий воздух опускается и смешивается с комнатным. Так объясняется связь высоты окна с движением воздуха, хотя результат зависит от условий проветривания.

Как движется воздух в комнате, если у стены стоит печь, а на противоположной стене находится холодное окно?

Условие. Печь нагревает воздух у одной стены, а холодное окно охлаждает воздух рядом с другой. Нужно описать полный круг движения, а не только подъём тёплого потока. Проследим путь воздуха по комнате.

1. У печи воздух нагревается, расширяется и становится менее плотным.
2. Этот воздух поднимается и движется к противоположной стороне комнаты.
3. У холодного окна он отдаёт тепло, охлаждается и становится плотнее.
4. Охлаждённый воздух опускается и понизу направляется обратно к печи, где снова нагревается.

Ответ. Воздух движется по замкнутому кругу: вверх у печи, в сторону окна, вниз у холодной стены и обратно к печи. Нагревание и охлаждение меняют плотность воздуха и вызывают движение. Такой круговой перенос тепла называется конвекцией.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что тёплый воздух тяжелее только потому, что у него выше температура. Так думают, смешивая температуру порции воздуха с её массой. При нагревании масса той же порции не меняется, но воздух расширяется и его плотность уменьшается. Проверь себя вопросом: сравниваю ли я равные объёмы воздуха?

Ошибка — говорить, что холодный воздух поднимается сам по себе. Обычно он опускается, потому что плотнее окружающего тёплого воздуха, и тот оказывает на него выталкивающее действие. Путаница возникает, если замечать только отдельный поток, а не соседние массы воздуха. Проверь направление: более плотный воздух занимает нижнее положение.

Ошибка — считать, что высокая температура всегда означает большую плотность. Температура показывает степень нагретости, а плотность — сколько воздуха помещается в объёме. Эти свойства связаны изменением объёма, но не являются одним и тем же. Чтобы проверить себя, спроси: речь идёт о температуре или о количестве воздуха в равном объёме?

Ошибка — описывать конвекцию как движение только тёплого воздуха. Подъём тёплого потока сопровождается опусканием более плотного холодного, иначе круговое движение не получилось бы. Такой ответ бывает неполным, если остановиться на наблюдаемом потоке у батареи. Проверь себя: указал ли я, куда возвращается охлаждённый воздух?

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно знать, что воздух занимает объём, имеет массу, может нагреваться и охлаждаться. Эти свойства помогают понять, почему при изменении температуры меняется плотность воздуха. Дальше движение воздуха пригодится при изучении ветра, образования облаков и погоды. В быту конвекция помогает объяснить работу отопления и проветривание, а движение воздушных потоков важно и для воздушного транспорта.

Что запомнить

• При нагревании воздух расширяется.
• Тёплый воздух менее плотный и легче холодного.
• Тёплый воздух поднимается вверх.
• Холодный воздух плотнее и опускается вниз.
• Перемещение тёплого и холодного воздуха называется конвекцией.
• Конвекция переносит тепло в воздухе.