Подъём тёплого воздуха

Раздел: 
Русская Физика

66. Подъём тёплого воздуха

Каждому из нас приходилось наблюдать явление подъёма тёплого воздуха вверх. Это – и подымающийся дым над костром, и отклоняющаяся вверх пламя спички, и  тепловой поток над газовой горелкой.

Подъём тёплого воздуха вверх – очень важное природное явление. Подтвердим сказанное несколькими примерами.

Циркуляция воздуха внутри помещения. Тёплый воздух от отопительных батарей поднимается вверх, смещается к холодным стенам, охлаждается у них, спускается вниз и возвращается снова к батареям.

Горение. Горячие продукты горения поднимаются вверх, а снизу к пламени устремляется обогащённый кислородом свежий воздух. Если бы продукты горения не уходили от пламени, они перекрывали бы доступ к пламени кислорода, необходимого для горения.

Дыхание. Выдыхаемый тёплый воздух уходит вверх и обеспечивает приток свежего воздуха. Не будь этого, и мы задыхались бы от недостатка кислорода.

Летний дождь. В жаркий летний день нагретый воздух, обогащённый паром, устремляется вверх; там он охлаждается; пар превращается в туман, тоесть в тучу; из тучи начинают выпадать капли дождя.

Круговорот воды на планете. Тёплый влажный воздух экваториальных морей и океанов поднимается вверх, разносится ветром по всей планете, охлаждается, и из него выпадает дождь. Дождевая вода ручьями и реками возвращается снова в моря и океаны.

Полёт воздушных шаров. Пламя горелки согревает воздух внутри шара, и этот нагретый воздух увлекает шар вверх.

В основе явления – подъёма тёплого воздуха вверх – лежат те же основные законы Природы: движения (в данном случае тепловые) создают пустоту и пустота вытесняется под уклон удельного давления среды (атмосферы). Движения и уклон – главные факторы явления.

На космической станции нет естественного уклона удельного давления воздуха, и поэтому там нет само собой возникающего перемешивания воздуха. Чтобы перемешивать воздух, на станциях работают вентиляторы. Иначе космонавты задыхались бы в собственном выдыхаемом воздухе.

Рассмотрим усилие подъёма F, создаваемое тёплым воздухом. Оно имеет следующую зависимость от уклона удельного атмосферного давления u и от объёма дополнительного вакуума g, создаваемого тепловыми движениями:

В свою очередь объём создаваемого вакуума Δg определяется как

где E – энергия нагрева; p – удельное атмосферное давление.

В случае с тепловыми воздушными шарами теплота E  образуется от сгорания топлива (газа) и определяется как

где q – удельная теплота сгорания газа; I – инерция сгоревшего газа.

Произведём расчёт теплового воздушного шара. Зададим усилие его подъёма F = 1000 сл (подъём груза весом 100 килограмм).

Удельное атмосферное давление p = 100700 уд.

Уклон этого давления u = 12 укл.

Объём дополнительного вакуума (увеличение объёма шара):

Требуемая энергия нагрева:

Удельная теплота сгорания газа природного q = 4,5*107 дж/ин.

Расход топлива:

Произведённый расчёт – для идеальных условий. В действительности тепловой воздушный шар постоянно охлаждается, и для поддержания требуемой  температуры газа внутри него приходится постоянно подогревать воздух; горелку не выключают.

Объём шара не имеет принципиального значения. Он важен только в том смысле, что при большом объёме удержать тепло внутри шара легче. Если же объём шара вообще мал, то создать внутри него дополнительный вакуум объёмом 83 кбм просто невозможно.

Пусть диаметр воздушного шара d = 10 м.

Его объём

Определим температуру воздуха в нём при подаче на него тепловой энергии E = 8,39*106дж.

Сначала определим инерцию воздуха внутри шара:

где ρ = 1,22 пин – плотность инерции воздуха.

Учитывая теплоёмкость воздуха

определим повышение температуры ΔT нагретого воздуха в шаре по формуле

Если окружающая температура воздуха равна 20 градусам, то температура воздуха  в воздушном шаре диаметром 10 метров должна составлять

К оглавлению                Назад        обсуждение        Далее                Следующий раздел или книга