„Fliegen“ Luftpartikel? Wenn nicht, wie halten sie sich über Wasser? [Duplikat]

Ich liste Ihre Fragen auf und beantworte sie nacheinander.

1. Was wäre, wenn Luftpartikel eines Tages ganz aufhören würden, sich zu bewegen?

Dieses Szenario tritt auf, wenn die Temperatur sehr niedrig ist. Für wirklich keine Bewegung benötigen Sie eine absolute Nulltemperatur. Aber lange vor dem absoluten Nullpunkt kommt man zu einem anderen Fall: Das Gas wird flüssig und dann, wenn es noch kälter ist, fest (mit Ausnahme von Sonderfällen wie Helium). Die Bildung einer Flüssigkeit beinhaltet normalerweise die Anziehungskräfte zwischen Molekülen, aber selbst wenn es keine Anziehungskräfte gäbe, würde das Gas schließlich eine Art Flüssigkeit bilden. Es würde dann in einer großen Lache auf dem Boden liegen (während wir alle an Sauerstoffmangel sterben).

2. Werden alle Luftpartikel einfach zu Boden sinken? (durch die Schwerkraft gezogen)

ja, siehe vorige ans.

3. Daher die Frage: Wie „schweben“ Luftpartikel überhaupt?

Sie bleiben bei Kollisionen über Wasser. Alle Teilchen fallen zwar aufgrund der Schwerkraft nach unten, aber sie stoßen auch aneinander. Man könnte vermuten, dass sie nach einiger Zeit im Durchschnitt immer tiefer sinken würden, aber was stattdessen passiert, ist, dass unten mehr Partikel, also eine höhere Dichte, vorhanden sind als oben. Und die ganz unten sinken nicht tiefer, weil sie vom Boden abprallen. Wenn sie am Boden kleben würden, würde die gesamte Atmosphäre selbst fallen und fallen, bis alles am Boden klebte. Aber sie prallen ab und sorgen so für eine Gasschicht in Bodennähe. Diese Schicht stützt dann die darüber liegende durch Kollisionen: Die von oben eintreffenden Teilchen werden wieder nach oben geschleudert. Und diese Schicht unterstützt wiederum die darüber liegende. Usw.

Die gesamte Atmosphäre ist also dynamisch: Zwischen den Kollisionen hat jedes Teilchen eine Abwärtsbeschleunigung. Bei Kollisionen prallen die beiden Teilchen aneinander ab. Es gibt eine höhere Dichte weiter unten, was zu mehr nach oben gerichteten Kollisionen für ein sich nach unten bewegendes Teilchen führt als für ein sich nach oben bewegendes.

All dies lässt sich präzise in Gleichungen fassen, aber ich nehme an, Sie bevorzugen das Bild in Worten.

3B. Aber was wäre, wenn die Moleküle in der Luft nicht miteinander kollidieren würden, sondern nur mit dem Boden? Würde die Atmosphäre dann zusammenbrechen?

Dies ist ein zusätzlicher Absatz, der mir durch einige hilfreiche Kommentare von Nanoman vorgeschlagen wurde. Er weist darauf hin, dass in dem Szenario, in dem die Moleküle nicht miteinander kollidieren, sie nach dem Abprallen vom Boden immer noch hoch in die Atmosphäre fliegen würden, indem sie riesigen Parabeln von etwa 10 Kilometern Höhe folgen und insgesamt die Dichteverteilung immer noch gleich wäre ! In diesem Fall wird die Atmosphäre mit zunehmender Höhe dünner, weil es weniger Moleküle mit genügend Energie gibt, um so hoch zu kommen. Die obige Diskussion in Bezug auf Schichten ist für die tatsächliche Atmosphäre angemessen, da die Moleküle im Durchschnitt nur winzige Entfernungen (weniger als einen Mikrometer) zurücklegen, bevor sie kollidieren.

PS Ich möchte hinzufügen, dass das Wort „abprallen“ nicht ganz richtig ist für das, was passiert, wenn Luftmoleküle auf den Boden treffen. Tatsächlich kommen sie meistens an und bleiben für eine sehr kurze Zeit, die als „Verweilzeit“ bezeichnet wird, und dann werden sie getreten oder abgeschüttelt und rasen in eine zufällige Richtung davon. Die Energie der Moleküle, die aus diesem Prozess herauskommen, ist im Durchschnitt gleich der thermischen Gleichgewichtsenergie, mit der sie angekommen sind. Nach der Mittelung über die Zeit ist der Nettoeffekt also wie ein Aufprall.

Sie bleiben getrennt, weil sie sich bewegen. Eine typische Geschwindigkeit für ein Luftmolekül in der Atmosphäre wäre 450 Meter pro Sekunde (eher schneller als die Schallgeschwindigkeit). Wenn sie aufeinander treffen, prallen sie aneinander ab.

Woher wissen wir, dass sich die Moleküle bewegen? Angenommen, wir pumpen etwas Luft in einen geschlossenen Behälter. Wir können feststellen, dass die eingeschlossene Luft einen Druck auf das Innere des Behälters ausübt. Genau das würde passieren, wenn sich schnell bewegende Moleküle ständig darauf treffen würden. Aber man könnte sagen, es könnte andere Ursachen für den Druck geben. Ein besserer Nachweis der Bewegung von Molekülen ist erforderlich. Ein solcher Beweis wäre die Brownsche Bewegung , in diesem Fall die beobachtete wackelnde Bewegung von Partikeln (wie Pollenkörnern), die groß genug sind, um sie unter einem Mikroskop in der Luft zu sehen. [Die Moleküle der Luft sind viel zu klein, um sie unter einem Mikroskop zu sehen, aber sie stoßen die größeren Partikel an, die wir sehen können .]

Was bringt die Luftmoleküle dazu, sich so zu bewegen? Sie tun es auf natürliche Weise. Wissenschaftler wissen seit langem, dass die Temperatur ein Maß dafür ist, wie schnell sich Gasmoleküle bewegen, oder genauer gesagt, für die mittlere kinetische Energie der Moleküle. Und dies wird durch Energie aufrechterhalten, die von der Sonne ausgestrahlt wird. Wenn die Temperatur sehr, sehr tief sinken würde, würden die Moleküle fast aufhören sich zu bewegen und sich auf dem Boden ansammeln. [Natürlich würde eine Verflüssigung stattfinden, aber das ist eine andere Geschichte.]

@Steevens Argument, dass nicht genügend Platz auf dem Boden vorhanden ist, kann auch so beschrieben werden, dass nicht genügend Energiezustände in Bodennähe vorhanden sind. Um ein weiteres bekanntes Beispiel zu nennen: Wenn Sie eine Badewanne füllen, „staut“ sich das Wasser; Einige Moleküle gehen nach unten, also gehen Sie über sie und haben etwas mehr GPE und so weiter. (Wenn Sie diese Idee weiter konkretisieren, wobei die Energie eher allgemein als die Höhe ist, erhalten Sie Fermi-Niveaus für Teilchen in einem geeigneten elektrostatischen Potential.)

Die Besetzungswahrscheinlichkeit bei Energie$E$ist proportional zu$\exp(-\beta E)$, mit$\beta$das thermodynamische Beta . Die Annäherung$E\approx mgh$für Massen-$m$Partikel macht diesen Faktor$\exp(-\beta mgh)$, also verdünnt sich die Luft exponentiell mit der Längenskala$\frac{1}{\beta mg}=\frac{k_BT}{mg}$, was ein paar Kilometer ausmacht. Aus diesem Grund ist der Luftdruck auf dem Gipfel eines Berges niedriger. Es überrascht nicht, dass Kohlendioxid dadurch schneller dünn wird (dh mit einer kürzeren Längenskala) als Argon, das schneller dünn wird als Sauerstoff, das schneller dünn wird als Stickstoff.

Kurz gesagt, die Luftmoleküle bleiben über Wasser, weil sie vom Boden und anderen Luftmolekülen abprallen. Hier ist ein Video, das dies mit einer einfachen Simulation visualisiert, die vollständig auf kinematischen Prinzipien basiert: https://www.youtube.com/watch?v=vwk4mSFFop0

Was in den anderen Antworten anscheinend unerwähnt geblieben ist, ist, dass die Luftmoleküle zu Boden fallen: Die Luft in größeren Höhen ist sowohl verdünnter als auch kälter, was den Kompromiss zwischen der kinetischen und der potenziellen Energie von widerspiegelt die Moleküle (wobei man versteht, dass die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle die Temperatur ist und dass nur hochenergetische Moleküle es schaffen, sehr hoch zu steigen).

Update
Um im Hinblick auf die folgende Diskussion ein wenig zu erweitern:
Die barometrische Formel sagt voraus, dass der atmosphärische Druck mit der Höhe abnimmt. Die Formel wird unter der Annahme hergeleitet, dass sich die Atmosphäre im Gleichgewicht befindet, dh sie lässt sich durch Boltzmann-Temperatur und konstante Verteilung ( isotherme Atmosphäre ) charakterisieren , so dass die durchschnittliche Energie jedes Moleküls ist

In Wirklichkeit hat die Atmosphäre keine konstante Temperatur und kein thermisches Gleichgewicht: Der Boden der Atmosphäre hat eine höhere Temperatur als ihre oberen Schichten, und die warme Luft steigt ständig auf, während die kalte Luft "fällt". Innerhalb des hydrostatischen Ansatzes wird dies als adiabatische Atmosphäre modelliert , was zu der Gleichung für die Temperaturänderung mit der Höhe führt, siehe Abfallrate . In diesem Thread gibt es eine gute Diskussion über die adiabatische Atmosphäre .