Ozeandichte vs. Atmosphärendichte

Ich verstehe, dass die Dichte der Ozeane auf der Erde unabhängig von der Tiefe im Durchschnitt konstant ist. Es beträgt 1020 kg/m^3 an der Oberfläche und 1050 kg/m^3 in tiefen Gewässern.

Ich verstehe auch, dass dies bei der Atmosphäre nicht der Fall ist. Die Dichte der Atmosphäre nimmt mit der Höhe ab.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Allerdings konnte ich in QM keine Beschreibung finden, die den Unterschied zwischen den beiden Medien beschreiben würde und wie sie unterschiedlich auf die Schwerkraft reagieren und der Abstand vom Massenmittelpunkt ihre Dichte ändert oder nicht.

Frage:

  1. Gibt es eine Erklärung, warum die Dichte der Ozeane (meistens) unabhängig von der Tiefe ist, sich die atmosphärische Dichte jedoch mit der Höhe ändert (liegt dies nur daran, dass einer flüssig und einer gasförmig ist)?

  2. Gibt es dafür eine QM-Erklärung (anderes Material) oder liegt das nur an der Entfernung zum Schwerpunkt (GR)?

Warum haben Ihrer Meinung nach QM und GR etwas damit zu tun? Wasser ist inkompressibel, Luft ist kompressibel, und das ist eine grundlegende Tatsache in der klassischen Physik über Zustände von Materie.
Ich wollte herausfinden, ob es eine QM-Erklärung für ihre Komprimierbarkeit gibt.
Und da die atmosphärische Dichte mit der Entfernung vom Massenmittelpunkt abnimmt, dachte ich, dass die Schwerkraft dies erklären würde (die Richtung der Abnahme). Liege ich mit diesen falsch?
Ja, die Schwerkraft beeinflusst die Dichte, aber es ist übertrieben, GR dafür aufzurufen.
@Triatticus Die Schwerkraft zieht also die Luftmoleküle näher an den Massenmittelpunkt, aber die Schwerkraft ist schwächer, wenn wir weiter nach außen gehen? Ich verstehe, dass Gase nicht inkompressibel sind. Was ich nicht verstehe ist, warum Luft nicht eine einzige durchschnittliche Dichte hat, warum nimmt die Dichte ab? Warum werden nicht alle Luftmoleküle in Richtung Zentrum gezogen, bis sie nicht mehr komprimierbar sind?
QM ist hier tatsächlich involviert und beide Antworten können dies nicht erklären. Wassermoleküle werden durch die verbleibenden elektromagnetischen Kräfte sowohl der Anziehung als auch der Abstoßung in einem konstanten Abstand zusammengehalten: Partikeladventure.org/residual_m.html
Warum werden nicht alle Luftmoleküle in Richtung Zentrum gezogen, bis sie nicht mehr komprimierbar sind? - Sie bewegen sich zu schnell. Bei normalen Temperaturen ist ihre kinetische Energie größer als ihre Anziehungsenergie. Das Gegenteil für Wasser.
@safesphere diesmal hast du recht. Dies ist die Frage: "Warum werden nicht alle Luftmoleküle in Richtung Zentrum gezogen, bis sie nicht mehr komprimierbar sind? - "
Sie sagen also, dass dies daran liegt, dass ihre kinetische Energie groß ist und sie sich im Grunde nicht in einer kovalenten Bindung befinden. Wassermoleküle befinden sich in einer kovalenten Bindung, sodass sie dies nicht tun können.
Ja, ich glaube, das ist richtig. Da die kinetische Energie jedoch zufällig verteilt ist, bewegen sich einige Moleküle schneller und brechen weg. So verdunstet Wasser. Dann kühlen sie ab, vereinigen sich wieder zu Wolken und fallen als Regen herab. Wenn Sie Wasser erhitzen 100 Ö C , würde es sich wie Luft verhalten: keine Ozeane auf der Venus.
Wassermoleküle stehen untereinander nicht in einer kovalenten Bindung. Diese Diskussion sollte in den Chat verlegt werden oder es sollten neue Fragen gestellt werden, z. B. warum ist Wasser im Ozean eine Flüssigkeit? Warum ist die Luft in der Atmosphäre ein Gas?
Kurz gesagt: Die intermolekulare Bindung in der flüssigen Phase ist hauptsächlich auf die Van-der-Waals-Kraft zurückzuführen . Diese Kraft verschwindet bei größeren Abständen, zB in der Gasphase. Während die intramolekulare kovalente Bindung in der Flüssig- bzw. Gasphase gleich ist.

Antworten (3)

Die Inkompressibilität von Flüssigkeiten beruht darauf, dass sie aus Atomen oder Molekülen mit endlichem Radius bestehen. Die Atome in einer Flüssigkeit sind ständig in Kontakt mit ihren Nachbarn, und eine Erhöhung der Dichte würde erfordern, dass sich Atome oder Moleküle überlappen, was sie normalerweise nicht sehr leicht tun. als solche haben Flüssigkeiten eine im Wesentlichen feste Dichte.

In einem Gas haben die Atome/Moleküle keinen Kontakt mit ihren Nachbarn, daher kann die Dichte stark variieren, wenn der Abstand zwischen einem Atom/Molekül und seinen Nachbarn zunimmt oder abnimmt.

Hier ist kein QM oder GR erforderlich.

Danke schön. Können Sie mir bitte sagen, warum die Luftdichte mit der Höhe und weg vom Massenmittelpunkt abnimmt? Beinhaltet diese Richtung nicht Stressenergie und Krümmung der Raumzeit?
@ÁrpádSzendrei Wie ACuriousMind betonte, erfordert die mit der Höhe abnehmende Dichte der Luft nur die klassische Schwerkraft. Damit sich Gas im Gleichgewicht befindet, müssen alle äußeren Kräfte durch eine durchschnittliche Kraft ausgeglichen werden, die durch einen Druckgradienten bereitgestellt wird. Die Schwerkraft ist eine äußere Kraft, daher muss ihr auch ein Druckgefälle entgegenwirken, damit einzelne Bestandteile des Gases im Durchschnitt keine Kraft spüren (die Schwerkraft, die sie nach unten zieht, wird im Durchschnitt durch den erhöhten Druck unter ihnen ausgeglichen). Höherer Druck in einem Gas bedeutet höhere Dichte, also nimmt die Dichte zu, wenn Sie nach unten gehen.
Danke, ich glaube, jetzt verstehe ich, warum Luft nicht gleich dicht ist. Sie sagen, dass der Druck eine Ausgleichskraft gegen die Schwerkraft ergibt, und unten gibt es mehr Druck, damit er mehr Schwerkraft ausgleichen kann (stärkere Spannungsenergie, wenn Sie sich dem Massenmittelpunkt nähern). Höher gibt es weniger Schwerkraft und weniger Druck kann sie ausgleichen.
Nicht ganz. Unten muss nicht unbedingt "mehr Gravitation" sein, was auch immer das heißen soll. Selbst wenn die Schwerkraft nur eine konstante nach unten gerichtete Kraft wäre (wie sie normalerweise in der Nähe der Erdoberfläche angenähert wird), würden Sie immer noch dieses Verhalten bekommen. Da die Atmosphäre im Vergleich zum Erdradius ziemlich dünn ist, ist die Schwerkraft im Wesentlichen über ihre gesamte Länge konstant (sie variiert nur um 2% über 150 km).
Können Sie dann bitte erklären, warum die Richtung der höheren Dichte nach unten geht, wenn keine stärkere Biegung der Raumzeit (näher am Massenmittelpunkt) involviert ist? Ich verstehe, dass Wassermoleküle durch EM-Kräfte zusammengehalten werden, sodass sich Wassermoleküle ständig in einer kovalenten Bindung befinden. Luftmoleküle stehen nicht in einer kovalenten Bindung miteinander. Luftmoleküle bewegen sich also freier und zufälliger und versuchen, den gesamten Raum, den sie haben, auszufüllen. Jetzt hält sie nur noch die Schwerkraft davon ab, wegzufliegen.
Aber was ich nicht verstehe ist, warum kommen alle Luftmoleküle von oben weiter nach unten, bis sie einen Punkt mittlerer Dichte erreichen?
Eine höhere Dichte tritt in geringeren Höhen auf, da Dichteunterschiede (und damit Druckunterschiede) der Schwerkraft entgegenwirken. Wenn auf einer Seite eines Gasstücks ein höherer Druck herrscht als auf der anderen, wirkt auf dieses Stück eine Nettokraft, allein aufgrund der ungleichen Drücke. Wenn sich das Gas im Gleichgewicht befindet, ist die Nettokraft überall Null, sodass die durch die Druckdifferenz erzeugte Kraft gleich der Gravitationskraft ist. Damit die durch die Druckdifferenz erzeugte Kraft nach oben zeigt, muss der Druck oben weniger hoch sein als nahe an der Oberfläche.
OK, es ist also die Schwerkraft. Je näher wir dem Massenzentrum kommen, desto stärker wird die Raumzeit gekrümmt und desto dichter ist die Luft.
@ÁrpádSzendrei Nein. Wie bereits erklärt, beträgt die Stärke der Schwerkraft 150 km über der Erdoberfläche 98% ihrer Stärke an der Oberfläche. Der größte Teil der Atmosphäre befindet sich im Umkreis von 50 km. Die Luftdichte nimmt mit zunehmender Höhe ab, hauptsächlich weil es einfach weniger Luft über Ihnen gibt, die sie nach unten drückt. Es gibt auch einen gewissen Einfluss auf die Dichte aufgrund der Temperatur. Der Effekt der reduzierten Gravitationskraft ist sehr gering und kann in erster Näherung vernachlässigt werden.

Die barometrische Formel , die die Dichtekurve der Atmosphäre vorhersagt, ist eine Vorhersage der klassischen Newtonschen Schwerkraft und Fluiddynamik, es ist keine allgemeine Relativitätstheorie erforderlich.

Die (Un-)Kompressibilität von Gasen und Flüssigkeiten hängt mit dem durchschnittlichen Abstand zwischen den Molekülen in Gasen im Vergleich zu Flüssigkeiten zusammen, und der Abstand in Flüssigkeiten ist so gering, dass die Abstoßung von Molekülen beim Versuch, sie weiter zu komprimieren, ziemlich stark ist, während es ist für den "großen" Abstand in Gasen eher schwach. Dies hängt mit der Form des Lennart-Jones-Potentials zusammen, wie John Rennie hier etwas ausführlicher erklärt .

Danke schön. Haben Sie eine Erklärung dafür: "Warum werden nicht alle Luftmoleküle in Richtung Zentrum gezogen, bis sie nicht mehr komprimierbar sind? - "
@ÁrpádSzendrei Weil sie kinetische Energie und Drehimpuls haben, die beide in einem idealen Gas erhalten bleiben (in dem alle Kollisionen elastisch sind).
@ÁrpádSzendrei Sie werden in Richtung Zentrum gezogen (deshalb ist die Luft in niedrigeren Lagen dichter!). Die Schwerkraft macht für nichts eine Ausnahme.
OK, der Grund dafür, dass sie in Richtung des Massenzentrums allmählich dichter werden, ist, dass die Raumzeit allmählich in Richtung des Massenzentrums gebogen wird. Je gekrümmter die Raumzeit ist, desto dichter ist die Luft.
@ÁrpádSzendrei Nein, Raumzeit, die "mehr gebogen" ist, bedeutet nicht einmal etwas. Hier geht es nicht um Raumzeit. Das ist schlichte, alte Newtonsche Gravitation: Je näher man an der Masse ist, desto stärker ist die Gravitationskraft. Es erklärt das Phänomen bereits perfekt, es besteht keine Notwendigkeit, GR einzubeziehen, wenn seine Newtonsche Annäherung vollkommen ausreicht. Hüten Sie sich vor den Gefahren des Reduktionismus: Nur weil alles letztendlich QM und GR ist, bedeutet das nicht, dass die aufschlussreichsten Erklärungen von QM und GR produziert werden.

Was ich nicht verstehe ist, warum Luft nicht eine einzige durchschnittliche Dichte hat, warum nimmt die Dichte ab?

Hier ist eine einfache Analogie, die helfen kann zu verstehen, warum die Dichte und der Druck am unteren Rand der Atmosphäre größer sind als am oberen Rand.

Stellen Sie sich eine Million Druckfedern vor, die übereinander gestapelt sind.

Die untere Feder wird stark zusammengedrückt, da sie dem Gewicht der restlichen Federn entgegenwirken muss, die von oben darauf drücken. Die Feder in der Mitte wird zur Hälfte zusammengedrückt, da sie das Gewicht der Hälfte der Federn aushalten muss. Die Feder oben wird überhaupt nicht zusammengedrückt.

Wir können also sehen, dass selbst wenn sich die Schwerkraft nicht mit der Höhe ändert und alle Federn das gleiche Gewicht haben, die Kompression der Federn (und ihre effektive Dichte) linear von oben nach unten zunimmt.

Natürlich hängt der Grad (Koeffizient) der Kompression vom Verhältnis zwischen dem Federgewicht und der Federkonstante ab: je größer das Verhältnis, desto größer die Kompression.

Ähnliches passiert mit dem Wasser in den Ozeanen und der Luft in der Atmosphäre, dh wir können eine Wasser- oder Luftsäule als viele übereinander gestapelte Wasser- oder Luftwürfel betrachten, der Grad ihrer Verdichtung (Druck und Dichte ) eine Funktion des Gewichtsverhältnisses und der effektiven "Federkonstante".

Danke. Ich denke ich verstehe. Und Wasser ist einfach weniger komprimierbar. Dieser Effekt hat also weniger Dominanz auf Wasser, da die Wassermoleküle bereits näher sind und die Dichte nur geringfügig zunimmt, wenn das Gewicht der oberen Schicht nach unten drückt.
@ÁrpádSzendrei Du hast es.
Ozeandichte vs. Atmosphärendichte
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