L'aria calda sale... perchè?!

[TonyManero]

Salve a tutti!

Avrei un quesito apparentemente banale ma che vorrei analizzare da un punto di vista diverso.

L'aria calda sale. Sale perchè è meno densa di quella fredda (PV=nRT) -> meno densa = più leggera -> la spinta di archimede fa si che salga. Fin qua tutto ok...

Da un punto di vista molecolare però la cosa come la spiego!?

Secondo la teoria cinetica dei gas temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle molecole. Una molecola "calda" è quaindi una molecola con una velocità maggiore rispetto alla media delle altre molecole. Per quale motivo questa molecola dovrebbe statisticamentente avere più probabilità di andare verso l'alto!?!?!?!? Proprio non riesco ad arrivarci...

Ripeto, sto analizzando il punto di vista della singola molecola...

[jumpjack]

non puoi applicare il principio di archimede a livello microscopico! Sono le molecole nel loro insieme che, avedno piu' energia/velocità, tendono ad allontanarsi di piu', facendo dilatare il gas, che quindi diventa meno denso / piu' leggero e quindi sale.

[TonyManero]

Ok, questa era la mia premessa...
Voglio vedere la cosa da un punto di vista microscopico, se non si era capito!

LA fisica ci insegna che ogni fenomeno ha una spiegazione precisa dei fenomeni a prescindere dal punto di vista da cui si osserva. La singola molecola DEVE avere un motivo per avere probabilità maggiore di andare verso l'alto. Il problema è che non lo trovo...

Anzi... forse non è la molecola ad andare verso l'alto... potrebbe anche statisticamente rimanere in basso ma essere l'energia cinetica media che in qualche modo si "trasferisce" verso l'alto nella concatenazione degli urti. Bho...

[TonyManero]

Forse che le molecole più "fredde", avendo energia cinetica minore, tendono ad andare verso il basso in quanto risentono maggiormente della forza di gravità!?!? Potrebbe essere una spiegazione? La singola molecola che dopo un urto prende una direzione "verso l'alto" se sufficientemente lenta potrebbe fermarsi e inizaire un moto verso il basso (per via della gravità).

E' plausibile!?

[frankytop]

Originariamente inviato da TonyManero

Forse che le molecole più "fredde", avendo energia cinetica minore, tendono ad andare verso il basso in quanto risentono maggiormente della forza di gravità!?!? Potrebbe essere una spiegazione? La singola molecola che dopo un urto prende una direzione "verso l'alto" se sufficientemente lenta potrebbe fermarsi e inizaire un moto verso il basso (per via della gravità).

E' plausibile!?

Secondo me hai colto nel segno.
In effetti è lo stesso di ciò che accade quando ad esempio osserviamo una bolla d'aria in un liquido:noi osserviamo visivamente che questa va verso l'alto ma solo come un effetto che cattura la nostra attenzione rispetto al fenomeno complementare,che non osserviamo,in cui le molecole di acqua scivolano giù lungo le pareti della bolla d'aria.

Una molecola calda immersa in un mare di molecole analoghe fredde avanza verso l'alto perchè sotto di essa si accumulano molecole fredde per caduta di gravità e lo spazio vuoto che si genera al di sopra di essa viene occupato dalla molecola calda.

[TonyManero]

Originariamente inviato da frankytop

Secondo me hai colto nel segno.
In effetti è lo stesso di ciò che accade quando ad esempio osserviamo una bolla d'aria in un liquido:noi osserviamo visivamente che questa va verso l'alto ma solo come un effetto che cattura la nostra attenzione rispetto al fenomeno complementare,che non osserviamo,in cui le molecole di acqua scivolano giù lungo le pareti della bolla d'aria.

Una molecola calda immersa in un mare di molecole analoghe fredde avanza verso l'alto perchè sotto di essa si accumulano molecole fredde per caduta di gravità e lo spazio vuoto che si genera al di sopra di essa viene occupato dalla molecola calda.

Comincio anch'io a pensare che la cosa sia plausibile...
Curiosità: in un gas perfetto a pressione unitaria e temperatura 0°C... la velocità media delle molecola quanto è?

[TonyManero]

Uhmm.... velocità media molecolare dell'Elio a 20°C è di 1350m/s

Può essere che siano così tante quelle che vanno così piano da "cadere"?

[stbarlet]

Io penso che la massa di aria calda tenda ad "autoconfinarsi" nel senso che le molecole, nonostante la loro elevatissima velocità, a livello macroscopico rimangono "ferme". L'elevatissimo numero di impatti che avvengono fra molecole allo stato gassoso fa si che la densità della massa di aria calda non vari troppo velocemente, con il risultato che la massa per il principio di Archimede venga spinta in alto

[TonyManero]

Originariamente inviato da stbarlet

Io penso che la massa di aria calda tenda ad "autoconfinarsi" nel senso che le molecole, nonostante la loro elevatissima velocità, a livello macroscopico rimangono "ferme". L'elevatissimo numero di impatti che avvengono fra molecole allo stato gassoso fa si che la densità della massa di aria calda non vari troppo velocemente, con il risultato che la massa per il principio di Archimede venga spinta in alto

Stiamo cercando di capire cosa avviene a livello microscopico...

[stbarlet]

Originariamente inviato da TonyManero

Stiamo cercando di capire cosa avviene a livello microscopico...

E penso di aver risposto no?

Il fatto che una molecola sia più veloce dell'altra, non vuole dire nulla. Una molecola subirà qualche migliaio di impatti al secondo.. con ovvi trasferimenti di quantità di moto!

[TonyManero]

Originariamente inviato da stbarlet

E penso di aver risposto no?

Il fatto che una molecola sia più veloce dell'altra, non vuole dire nulla. Una molecola subirà qualche migliaio di impatti al secondo.. con ovvi trasferimenti di quantità di moto!

Non mi sembra che tu abbia risposto... la domanda è "perchè la singola molecola di gas, andando più veloce, ha più probabilità di andare verso l'alto?".

[stbarlet]

Originariamente inviato da TonyManero

Non mi sembra che tu abbia risposto... la domanda è "perchè la singola molecola di gas, andando più veloce, ha più probabilità di andare verso l'alto?".

Perchè la singola molecola ( che non va più veloce, va mediamente più veloce ) rimane abbastanza ben confinata nella massa di aria calda da essere spinta in alto (assieme a tutte le altre) per il principio di Archimede. Non è una questione di probabilità. Il fatto che le masse di aria calda salgano è una questione macroscopica.

[TonyManero]

Originariamente inviato da stbarlet

Perchè la singola molecola ( ...) rimane abbastanza ben confinata nella massa di aria calda da essere spinta in alto (...) per il principio di Archimede.

Il principio di Archimede NON esiste a livello molecolare. E' un effetto macroscopico... ;-)

[frankytop]

Originariamente inviato da TonyManero

Uhmm.... velocità media molecolare dell'Elio a 20°C è di 1350m/s

Può essere che siano così tante quelle che vanno così piano da "cadere"?

L'espressione che lega la temperatura assoluta T e la velocità quadratica media è:

3/2kT=1/2mV^2 dove k è la costante di Boltzman.

per la massa dell'elio:se una mole di elio ha una massa di 4 grammi allora quella di un atomo m=4/6.022*10^23=6.64*10^-24 gr cioè 6.64*10^-27 Kg

La costante di boltzman k=1,3806505* 10^−23 [J K^-1]
T=293 K

per cui v=1351 m/s

Eh,viene uguale al tuo dato...giubilo(tanto tempo è passato che non facevo più questi calcoletti)

Questa è una velocità media (quadratica) ma la velocità delle singole molecole segue un andamento descritto dalla curva di Maxwell,per cui di molecole più lente e più veloci di questa ce ne sono parecchie.

[TonyManero]

Originariamente inviato da frankytop

L'espressione che lega la temperatura assoluta T e la velocità quadratica media è:

3/2kT=1/2mV^2 dove k è la costante di Boltzman.

per la massa dell'elio:se una mole di elio ha una massa di 4 grammi allora quella di un atomo m=4/6.022*10^23=6.64*10^-24 gr cioè 6.64*10^-27 Kg

La costante di boltzman k=1,3806505* 10^−23 [J K^-1]
T=293 K

per cui v=1351 m/s

Eh,viene uguale al tuo dato...giubilo(tanto tempo è passato che non facevo più questi calcoletti)

Questa è una velocità media (quadratica) ma la velocità delle singole molecole segue un andamento descritto dalla curva di Maxwell,per cui di molecole più lente e più veloci di queste ce ne sono parecchie.

Quindi possiamo sentenziare che a livello molecolare le particelle più lente hanno probabilità maggiore di trovarsi in basso in quanto è più probabile che la forza di gravità riesca a tirarle verso il basso? Non mi quadra del tutto il discorso...

[Jarni]

Originariamente inviato da TonyManero

Non mi sembra che tu abbia risposto... la domanda è "perchè la singola molecola di gas, andando più veloce, ha più probabilità di andare verso l'alto?".

Perché, appunto, è più veloce.
Ha un'energia cinetica maggiore che potrà essere convertita in maggior energia potenziale gravitazionale, quindi potrà raggiungere quote più alte rispetto alle molecole più lente.
Poni il caso di una molecola quasi ferma: dove starà con più probabilità, sul fondo del contenitore o su Marte?

[frankytop]

Originariamente inviato da TonyManero

Quindi possiamo sentenziare che a livello molecolare le particelle più lente hanno probabilità maggiore di trovarsi in basso in quanto è più probabile che la forza di gravità riesca a tirarle verso il basso? Non mi quadra del tutto il discorso...

Direi che si potrebbe immaginare una molecola veloce che da gomitate a destra e a manca su e giù ad un ritmo più veloce di quelle che si trovano nelle sue immediate vicinanze:intorno alla molecola calda si crea un vuoto maggiore rispetto alle altre e per effetto della gravità ai lati della molecola (destra e sinistra) questo vuoto viene riempito dalle molecole fredde che provengono da sopra per effetto della gravità (sopra non viene riempito perchè vengono ricacciate su dalla molecola calda).
Quindi il vuoto sopra la molecola calda,generato dallo svuotamento di quelle fredde che scivolano ai lati di quella calda,viene occupata da quest'ultima

Spero che il ragionamento sia valido....

[Jarni]

Originariamente inviato da TonyManero

Il principio di Archimede NON esiste a livello molecolare. E' un effetto macroscopico... ;-)

Il principio di Archimede è una conseguenza del comportamento microscopico delle molecole libere.
Allo scritto di statistica termodinamica mi diedero un esercizio nel quale dovevo calcolare la spinta aerostatica usando la meccanica statistica. E c'entrava la gravità, la temperatura, la massa molecolare, ecc...

Originariamente inviato da TonyManero

Quindi possiamo sentenziare che a livello molecolare le particelle più lente hanno probabilità maggiore di trovarsi in basso in quanto è più probabile che la forza di gravità riesca a tirarle verso il basso? Non mi quadra del tutto il discorso...

Teniamo sempre conto degli urti infinitamente numerosi che avvengono tra le particelle, che quindi fanno loro cambiare direzione continuamente.
Diciamo che la particella lenta non ha abbastanza energia per arrivare alle altezze a cui arrivano le particelle più veloci.

Prendi una mitragliatrice e spara in alto: dove arrivano i proiettili? A quale altezza in media hanno passato più tempo?
Ora fai la stessa cosa lanciando per aria dei pallini di piombo: qual'è la loro altezza media?
Come vedi, in alto ci sono le particelle più veloci.

[stbarlet]

Originariamente inviato da Jarni

Prendi una mitragliatrice e spara in alto: dove arrivano i proiettili? A quale altezza in media hanno passato più tempo?
Ora fai la stessa cosa lanciando per aria dei pallini di piombo: qual'è la loro altezza media?
Come vedi, in alto ci sono le particelle più veloci.

Non che non mi fidi eh.. ma il proiettile che sale non è circondato da un mare di altri proiettili che si muovono in tutte le direzioni! Faccio fatica a crederci, non è ovviamente una cosa personale !

[Jarni]

Originariamente inviato da stbarlet

Non che non mi fidi eh.. ma il proiettile che sale non è circondato da un mare di altri proiettili che si muovono in tutte le direzioni! Faccio fatica a crederci, non è ovviamente una cosa personale !

Non capisco dove vuoi arrivare: se è circondato da proiettili in tutte le direzioni non fa differenza. Riceverà urti da sinistra, da destra dal davanti, da dietro, da sotto, da sopra: la media degli urti sarà nulla, quindi è come se viaggiasse liberamente.

Guarda che il concetto è semplice.
Ogni particella, lenta o veloce, cambia direzione continuamente a causa degli urti.
Le particelle veloci hanno più energia di quelle lente.
Per arrivare in alto serve energia.
Di conseguenza le più favorite ad arrivare ad una certa quota sono le particelle veloci.