Warum macht Feuer so wenig Geräusche?

Die Verbrennungsreaktionen machen von Natur aus keine Geräusche. Aber sie setzen viel Energie frei, was dazu führt, dass die nahe gelegenen Moleküle eine höhere zufällige kinetische Energie erhalten, was theoretisch istals Brownsches Rauschen nachweisbar. Aber es ist nicht so einfach wie das Sprechen eines Menschen zu erkennen, weil das Geräusch undeutlich und die Leistung am Trommelfell geringer ist: Viele der Teilchen bewegen sich nicht in Richtung des Trommelfells, so dass eine begrenzte Energiemenge übertragen wird. Im Gegensatz zu longitudinalen Schallwellen, bei denen Gruppen von Partikeln periodisch mit großen Amplituden oszillieren, ist die Bewegung hier ziemlich unorganisiert und nicht bei allen vernünftigen Temperaturen hörbar, sodass Sie aufgrund der Ausdehnung von Fasern eher das Knallen von Holz hören und Entweichen von Feuchtigkeit und Luft oder Windgeräusche, wenn sich Luft ausdehnt und schnell aufsteigt.

Ich beschloss, einen Versuch zu unternehmen, die Temperatur zu finden, die erforderlich ist, damit das Brownsche Rauschen etwa so laut ist wie ein Gespräch. Für$60\ \rm dB (SPL)$, mit der üblichen Referenz von$2\times 10^{-5}\ \rm Pa$und in Anbetracht der Region mit der höchsten Empfindlichkeit des Ohrs suchen wir nach einem möglichen Effektivdruck von$2\times 10^{-2}\ \rm Pa$. Unter Verwendung der Gleichung von On Minimum Audible Sound Fields von Sivian und White

Es ist wichtig, nicht zu glauben, dass dies bedeutet, dass wir niemals Brownsches Rauschen hören werden. Wenn Sie eine Software wie Audacity (oder wahrscheinlich ein beliebiges Tonbearbeitungstool) verwenden, können Sie Brownsches Rauschen rendern und es sich anhören$60\ \rm dB$. Aber dort haben wir eine bewusste Überlagerung von Wellenformen mehrerer Frequenzen (mit Amplituden entsprechend der Verteilung), die gespielt werden. Aber wir werden das Geräusch, das durch die zufällige kinetische Energie von Luftmolekülen verursacht wird, nicht in einer Lautstärke hören , die mit normalen Gesprächen vergleichbar ist .

"Weil wir nur annehmen können, dass Hitze aus Feuer eine höhere Vibrationsintensität als Schall hat" ist nicht wirklich wahr: Aufgrund der Richtung der Schwingungen / Bewegung der Partikel übertragen longitudinale Schallwellen am Ende viel mehr Energie auf das Trommelfell .

Irgendwann werden wir das Geräusch nicht erkennen; Die Strömungen aufgrund von Konvektion und Expansion heißer Luft sind eher hörbar.

Sivian, LJ und SD White. „Auf minimal hörbaren Schallfeldern.“ Das Journal der Acoustical Society of America , vol. 4, nr. 3, 1933, S. 176–177., doi:10.1121/1.1901988.

Und einige coole verwandte Sachen: Unterschied zwischen Schall und Wärme auf Partikelebene

Der Begriff "Schall" wird verwendet, um makroskopische Schwankungen des Fluiddrucks auf einer Zeitskala von 50 Mikrosekunden bis 50 Millisekunden zu beschreiben. Wenn etwas fast geräuschlos zu brennen scheint, beinhaltet eine solche Verbrennung viele einzelne Ereignisse, die den Umgebungsgasdruck erhöhen, aber fast alle Effekte sind entweder so schnell, dass die Druckschwankungen, die sie verursachen, durch Mittelung über ein Intervall von 50 μs aufgehoben werden, oder sind es so langsam, dass die Druckänderung über ein Intervall von 50 ms vernachlässigbar ist.

Die Flamme in einem Propangasbrenner, Autogenbrenner oder einer Lötlampe erzeugt erhebliche Geräusche. Dies tritt auf, weil der Mischprozess von Kraftstoff und Luft turbulent ist und der Verbrennungsprozess in einer sich turbulent bewegenden Luftmasse stattfindet. Die Verbrennung ist zeitlich und räumlich ungleichmäßig, was das zufällige weiße Rauschen einer Fackel erzeugt.

Beim Verbrennungsprozess in einer Kerzenflamme, einer Propan-Grilldose oder einem Zigarettenanzünder findet die Verbrennung nicht gleichzeitig mit der turbulenten Vermischung von Kraftstoff und Luft statt und erzeugt daher sehr wenig Lärm.

Schall ist eine kohärente Schwingung der Moleküle in der Luft – insbesondere eine mehr oder weniger synchronisierte Kompression/Verdünnung (Moleküle kommen näher als auseinander), die sich durch die Luft ausbreitet.

Das macht es thermodynamisch effektiv eher wie "Arbeit". Das heißt, es ist eine Energieform mit relativ niedriger Entropie: sehr ordentlich, oder äquivalent "sieht aus wie ein Signal", und könnte mit einem relativ komprimierbaren Datenmuster (dh enthält statistische Regelmäßigkeiten) in einem Computer mit genügend Speicher als beschrieben werden nach dem informationsthermodynamischen Entropiegesetz der Äquivalenz

Andererseits ist die Hitze eines Feuers genau das – Hitze. Es ist maximale Entropie und Moleküle bewegen sich völlig zufällig (was bedeutet, dass keine Komprimierung möglich ist.). Es "sieht aus wie Rauschen", was bedeutet, dass seine dynamische Beschreibung Zufallsdaten sein wird, sieht grob wie Rauschen im Sinne von "Rauschen" wie in "bedeutungslosen Informationen" aus. Denken Sie daran, dass dies nicht dasselbe ist wie "rauschende Schallwellen": Dies sind immer noch kohärente Wellen, es sind nur die Amplituden, die zufällig sind, oder sie sind tatsächlich nur in einer Dimension zufällig, also immer noch niedrig-entropisch, wenn auch höher als ein reiner Ton.

Daher wird es allein durch die Hitze der Flamme kein Geräusch geben. Insbesondere kann man ein vernünftiges thermodynamisches Argument anführen, dass man Wärme nicht direkt hören kann, indem man einfach bemerkt, dass es Arbeit an Ihrem Trommelfell leisten muss, um es aus dem Schwingungsgleichgewicht zu bringen, um es zu hören, und Arbeit ist genau das, was Sie mit Wärme in diesem Fall nicht tun können Weg. Wäre es möglich, Wärme direkt zu hören, dh für die zufälligen Kollisionen von Molekülen gegen Ihr Trommelfell, um direkt eine geordnete Bewegung davon zu erzeugen, oder für zufällige Kollisionen, die bei Kontakt mit Luft spontan zu geordneten Wellen werden, könnten Sie im Wesentlichen das Ohr als Gerät dazu verwenden unter Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik kostenlos Arbeit daraus extrahieren.

Allerdings kann man einwenden, dass dies nur in einer thermischen Gleichgewichtssituation gelten würde und ein Feuer weit vom Gleichgewicht entfernt ist - vereinfacht gesagt 2000 K Flammentemperatur gegenüber 300 K Umgebungstemperatur, und daher sollten Sie in der Lage sein, Arbeit zu extrahieren.

Und es stellt sich heraus, dass ein Feuer genau so hörbar ist. Das heiße Gas kann sich dank des Gefälles ausdehnen – eine konzertierte Bewegung nach außen – und Konvektionsströmungen in der Luft antreiben, wodurch Wärme in Arbeit umgewandelt wird (Energie mit niedriger Entropie), und diese Strömungen werden effektiv zu Wind, und das erzeugt eine hörbares Rauschen/Blasen, so wie man den Wind bei einem Sturm hören kann. Aber ein direktes Hören der zufälligen Bewegung von Molekülen ist nach dem obigen Argument immer noch unmöglich.

(Das „Knistern“ und „Knallen“ beim Verbrennen fester, komplexer organischer Brennstoffe wie Holz ist, wie an anderer Stelle erwähnt, auf die plötzliche Ausdehnung/Explosion kleiner Dampfblasen zurückzuführen, die sich im Brennstoff aus flüchtigen Stoffen, einschließlich Wasser, bilden.)

ADD : Jetzt, wo ich darüber nachdenke, glaube ich nicht, dass es unbedingt funktioniert. Es wird eine zufällige Schwankung in der zentralen Position des Trommelfells geben, die sich aus der Mittelung der Bewegung aller seiner Moleküle ergibt. Das wäre technisch einwandfrei. Es wird sehr klein sein, aber nicht unbedingt null. (In Bezug auf die Entropieanalyse kann die Entropie sehr hoch sein, ist es aber nicht$\infty$.) Das heißt, Sie werden immer noch nichts hören, wenn Ihr Ohr nicht in direktem Kontakt mit der Quelle steht, da die Verteilung von Partikeln in einem bestimmten kleinen Luftpaket mehr oder weniger thermisch ist - es ist ein Temperaturgradient und somit das einzige Geräusch Sie hören wird, wird das bei der Umgebungstemperatur um Ihr Trommelfell sein. Mit den Berechnungen von @Chair bedeutet dies, dass es Ihr Ohr (und Sie) verdampft, lange bevor Sie hoch genug sind, um es zu hören.

Schall ist vibrierende Luftpartikel (die sich gegenseitig treffen und Longitudinalwellen erzeugen) und Wärme ist die Vibration von Luftmolekülen.

Keine dieser Aussagen ist ganz richtig. Das menschliche Ohr enthält eine Reihe von Haaren, die jeweils unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben. Wenn die Luft mit der Resonanzfrequenz eines der Haare vibriert, sendet dieses Haar ein Signal an das Gehirn. Das menschliche Ohr wirkt also im Grunde wie eine analoge Fourier-Transformation.

Eine Analogie wäre eine Schaukel. Wenn Sie die Schaukel genau am richtigen Punkt ihres Zyklus immer und immer wieder drücken, wird die Schaukel höher schwingen. Wenn Sie den Schwung wiederholt drücken, aber zu zufälligen Zeiten, werden Sie wahrscheinlich einen vorherigen Stoß aufheben, als ihn zu verstärken. Das Hinzufügen weiterer Stöße, wenn sie zufällig sind, trägt also nicht viel dazu bei, die Amplitude des Schwungs zu erhöhen. Wenn es eine Schallwelle mit einer solchen Frequenz gibt, dass ihre Spitze in ihrem Zyklus immer zur gleichen Zeit auf das Haar trifft, schwingt das Haar weiter hin und her. Wenn Sie nur Luftmoleküle haben, die zu zufälligen Zeiten in seinem Zyklus auf das Haar treffen, heben sie sich auf, und das Hinzufügen weiterer Kollisionen oder das Erhöhen der Stärke der Kollisionen ändert daran nichts.

Beachten Sie, dass das, was wir als „Klang“ wahrnehmen, die Schwingung der Luft als Ganzes ist, nicht die Schwingung einzelner Moleküle. Es braucht eine sehr große Anzahl von Molekülen, die sich zusammen bewegen, um das zu erzeugen, was wir als „Klang“ wahrnehmen. Moleküle, die sich getrennt bewegen, erzeugen keinen Ton.

Es ist auch ganz richtig zu sagen, dass Wärme Schwingungen von Molekülen sind. Während ein Teil der Wärmeenergie aus internen Schwingungen besteht, ist es auch kinetische Energie von Molekülen, die sich bewegen (insbesondere in Gasen).

Schall ist eine Druckschwingung. Sie könnten denken, wenn Druck das ist, was wir die Nettokraft von Gasmolekülen nennen, die mit einer Oberfläche kollidieren, und diese Moleküle sich zufällig bewegen, dann werden einige mit viel Kraft und andere mit wenig Kraft kollidieren, und daher könnte der Druck variieren .

Beachten Sie jedoch zwei Punkte:

Erstens erhöht die Erhöhung der Temperatur einer festen Gasmenge in einem festen Volumen die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle und erhöht somit den Druck . Aber weil der Druck jetzt höher ist als vor 10 Minuten, bedeutet das nicht, dass er oszilliert , nicht mit einer Frequenz, die hoch genug ist, um sowieso hörbar zu sein. Um hörbar zu sein, muss sich der Druck ändern , und um hörbar zu sein , muss er sich mit einer Frequenz ändern, die für unsere Ohren physiologisch wahrnehmbar ist, zwischen 20 und 20.000 Hz.

Zweitens ist nach dem Gesetz der Mittelwerte die Variation der Energien einzelner Moleküle unbedeutend, da ein Trommelfell um viele Größenordnungen massiver ist. Es ist also nur die durchschnittliche Stoßkraft aus vielen Millionen Stößen, die die makroskopischen Kräfte auf ein Trommelfell bestimmen.

Wenn Sie technisch werden wollen, bedeutet das Gesetz der Durchschnittswerte, dass die Druckschwankung wirklich gering ist, aber nicht Null. Hätten wir ein ausreichend empfindliches Druckmessgerät, könnten wir eine zufällige Druckänderung messen, die man als „Schall“ bezeichnen könnte. Mit zunehmender Temperatur würde die zufällige Varianz zunehmen, da es eine größere Streuung zwischen den energiereichsten und den energieärmsten Molekülen geben würde. Wir hören es einfach nicht, weil es eine um viele Größenordnungen zu kleine Variation ist, um mit den Ohren erkennbar zu sein.

Seltsamerweise lautet die Antwort "Ja, wenn Sie es richtig machen". Plasma-Lautsprecher , manchmal über gesteuerte Flamme implementiert, sind eine aktuelle Sache.

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Wie Jmac feststellte, bringt die Flamme in flammenbasierten Versionen nur das Plasma in Gang, und das Plasma verwendet Magnetismus, um den Ton zu erzeugen; nicht die Hitze. In gewissem Sinne sind es also ein paar zusätzliche Umwandlungsschritte der Flammenenergie, um die Schallwellen zu erzeugen.

Abgesehen von Chairs Behauptung, dass die Lufttemperatur enorm sein müsste, bevor die damit verbundene Brownsche Bewegung der Luftmoleküle zu hören wäre, ist es wichtig zu beachten, dass die Wärme Ihr Ohr überhaupt nicht erreicht. Wir hören nur oszillierende Luft im eigentlichen Ohr; wir können oszillierende Luft nicht weit entfernt direkt hören. Wir können ein glühendes Stück Metall sehen; wir können das Infrarot fühlen; aber wir sind bei 1000 K nicht der Luft ausgesetzt.

Das ist offensichtlich eine gute Sache.

Warum Schall – eine mehr oder weniger organisierte Schwingung von Luftmolekülen – über große Entfernungen übertragen wird, während die chaotische Brownsche Bewegung vergleichsweise schlecht überträgt, ist eine andere Frage (und eine, die ich nicht sofort beantworten kann). Aber es gilt für die meisten Materialien, für manche auf erstaunliche Weise: Man kann einen keramischen Hitzeschild mit einer Lötlampe anfassen und auf der anderen Seite anfassen; aber es ist wahrscheinlich, dass das Schlagen mit einem Hammer das gesamte Space Shuttle durchdringen würde.