Steigt warme Luft wirklich nach oben, oder nur die Energie?
Ich wollte die Physiker unter euch einmal folgendes Fragen:
Uns wird als Kindern immer beigebracht, dass heiße Luft nach oben steigt. Was ja auch irgendwo Sinn macht, was die Dichte angeht. Aber sind es wirklich Luftmassen, die sich nach oben bewegen?
An sich ist Wärme ja chaotische, kinetische Energie. Wird diese nicht wie bei einem Haufen Billiard-Kugeln nach oben hin übertragen? Wie beim Newton-Pendel?
Nachdem viele mir sagten, es seien wirklich die Luftmassen, wo liegt dann mein Denkfehler? (Nehmen wir zur Einfachheit an, Luft würde nur aus Sauerstoff bestehen)
7 Antworten
OK, kommen wir von den molekularen Grundlagen: Wärme ist Moleküleigenbewegung (also um die Ruhelage des Moleküls herum). Und Moleküle stoßen an anderen Moleküle. Sind die Moleküle mehr in Ruhe, haben also weniger Wärmeenergie gespeichert, dann brauchen sie einen bestimmten Raum für sich. Werden sie wärmer, bewegen sie sich mehr und stoßen andere Moleküle an und diese sozusagen weg. Dadurch brauchen sie mehr Raum.
Wenn die gleichen Anzahl Moleküle mehr Raum braucht, dann nimmt auch die Dichte ab. Deshalb ist warme Luft leichter als kühlere Luft.
Die Wärmeenergie, die im System ist, bestimmt also ursächliche die Volumenzunahme bei Erwärmung, aber erst die dadurch auftretende Dichteänderung sorgt für eine Dynamik im Verhalten unterschiedlich warmer Gase.
Die Frage vermengt leider zu viel.
Bleiben wir erst einmal bei der gleichen Anzahl Teilchen. Werden sei wärmer (mehr Energie drin), bewegen sie sich heftiger, stoßen einander stärker und brauchen darum auch mehr Volumen. Folge ... na, klar: Die Dichte nimmt weiter ab.
Wieviele Teilchen erwärmt werden, hängt dann von den Umgebungsbedingungen ab, nicht von der erreichten Temperatur.
Und das lässt sich jetzt nicht einfach trennen und muss alles gesamt betrachtet werden. Das heißt dann Meteorologie.
Konvektion ist ein viel schnellerer Transportprozess als der Wärmetransport durch Stöße von Molekülen (der außerdem keine Richtung bevorzugen würde). Wer mal in einem Flugzeug durch ein Gewitter geflogen ist, sieht danach am Füllgrad seiner Kotztüte, dass warme Luft nach oben steigt.
Das ist ein seltsames Beispiel, aber die Information, dass Konvektion schneller arbeitet als die Wärmeverteilung war wohl die Antwort, die ich suchte.
das ist die Sorte Beispiel, die man nie wieder vergisst, wenn man sie erlebt hat. Gute Beispiele sollten diese Bedingung erfüllen, finde ich.
Zu deiner Nachfrage: Wenn du mal ein heftiges Gewitter beobachtet hast, dann weißt du, dass aufsteigende warme Luftmassen und auch absteigende kalte in einigen Minuten etliche Höhenkilometer zurücklegen können.
Da muss man keine aufwendigen Berechnungen anstellen, dass selbst hervorragende Wärmeleiter nicht im entferntesten so effektiv sind. Zudem ist Luft noch ein sehr mäßiger Wämeleiter.
Dein Vergleich mit dem Newtonpendel passt eher für Schallwellen, und die sind in der Tat schnell. Aber die entstehen nun mal nicht, wenn sich Luft am Boden erwärmt oder sich eine kalte unter eine warme Luftmasse schiebt.
Danke sehr für deine Antwort. Da ich aktuell mit Thermoakustik arbeite ist es mir sehr wichtig, alle Unterschiede zwischen Schall und Wärme zu verstehen, weshalb ich solche Fragen stelle.
Nein soweit ich weiß bewegt sich wirklich die Luft. Warme Luft ist ja leichter wegen der geringeren dichte und wird deshalb weniger angezogen? Udn deshalb bewegt sie sich nach oben
Ja, es gibt wirklich eine Luftzirkulation, die sich wesentlich unterscheidet von der Diffusion. Bei der Erwärmung werden die einzelnen Teilchen schneller. Dadurch kommt es zu mehr Stössen zwischen ihnen, also zu einem höheren Druck: Die Luft dehnt sich aus. Dadurch ist die warme Luft pro Liter leichter als die kalte.
Dass sich wirklich die Luftmassen bewegen, siehst du wie bereits erwähnt wurde, an den thermischen Strömen, in denen Vögel oder Gleitschirmflieger an Höhe gewinnen können.
Danke sehr. Auch wenn sich deine Antwort im Kern nicht sehr von der der anderen unterscheidet, hast du mir wenigstens versichert, dass meine Denkweise nicht komplett falsch war. Zu hören, dass es sich nicht um Diffusion, sondern um eine kollektive Bewegung mit vielleicht ähnlichen Eigenschaften handelt, macht das Konzept um einiges verständlicher.
Danke sehr für diese ausführliche Antwort. Ich kann mir jetzt die Bewegung der Stoffe beim Erwärmen der Luft um einiges besser vorstellen. Was mir bei dieser Beschreibung jedoch noch als Frage kommt ist, ob bei höheren Temperaturen die Luftmassen, die sich bewegen, größer sind, oder ob diese sich einfach nur schneller nach oben wandern, weshalb der Aufwind dann schneller wird.
Also sind es mehr Teilchen, die Aufsteigen, oder ungefähr gleich viele, die einfach nur mehr Volumen einnehmen?