Wie wirkt heiße Luft in der Schwerelosigkeit?

In einer Umgebung mit Schwerkraft hat heiße Luft eine geringere Dichte als kühle Luft und steigt daher auf.

Wie interagiert heiße Luft mit kalter Luft in einer Schwerelosigkeitsumgebung in Bezug auf Bewegung? Bleibt es einfach wo es ist? Eine Art kugelförmige Konfiguration, vielleicht mit der heißeren Luft an der Außenseite?

Stellen Sie sich als Beispiel vor, dass in Null-G eine Kerze brennt. Ich bin mir bewusst, dass die Flamme kugelförmig sein wird. Wie verhält sich die heiße Luft um die Flamme?

Ich habe diese Reddit-Diskussion zum Thema gefunden , aber da es Reddit ist, gibt es nicht wirklich eine endgültige Antwort, wie ich sie hier erwarte.

Wärme würde das Gas ausdehnen, ähnlich wie es dehnen, also würde ich eine kugelförmige Ausdehnung des Gases erwarten, da keine äußeren Kräfte wirken. Ich bin jedoch kein Experte für Thermo, ich bin mir sicher, dass jemand anderes mehr erweitern kann.

Antworten (5)

In Gegenwart eines Gravitationsfeldes steigt die heiße Luft auf, weil sie eine Auftriebskraft spürt. Zwischen der Unterseite und der Oberseite des Heißluftabschnitts besteht ein Druckunterschied, der zu einer Aufwärtskraft führt.

Wenn es keine Schwerkraft gibt, gibt es (im Prinzip) keinen Druckunterschied, sodass die heiße Luft nicht aufsteigt. Es dehnt sich einfach gleichmäßig aus. Wenn Sie sich jedoch in einem beschleunigenden Rahmen befinden, erhalten Sie einen Druckgradienten und die heiße Luft folgt dieser Richtung, obwohl keine Schwerkraft vorhanden ist.

Ändert das Erhitzen der Luft nicht ihre Dichte und damit den Druck? Ich war nie sehr gut in Strömungsdynamik ...
@DCShannon Der Druck der Nachbarschaft (kalte Luft) ändert sich nicht und bleibt gleichmäßig. Es wirkt also keine Nettokraft auf die heiße Luft.
Okay, ich denke, Sie sagen, dass sich die heiße Luft ausdehnt, aber da die Luft um sie herum immer noch gleichmäßig ist und sich kugelförmig ausdehnt, herrscht überall auf der "Oberfläche" der Kugel der gleiche Druck, sodass die Luft dies nicht tut versuchen Sie, irgendwohin zu gehen. Etwas kalte Luft würde sich einmischen und erwärmt werden, aber nur durch zufällige Diffusion. Anders als auf der Erde, wo die Luft über der Flamme dazu neigt, stärker erhitzt zu werden als die Luft an den Seiten oder darunter, wird die umgebende Luft gleichmäßig/zufällig stärker erhitzt.
@DCShannon Genau das, was ich meinte.

Neben der Diffusion sehen Sie die Wärmeleitung. Heißes Gas hat einfach mehr kinetische Energie, also bewegen sie sich schneller. Die heißen/schnellen Moleküle bewegen sich in verschiedene Richtungen von der Wärmequelle weg und kollidieren mit den langsameren/kälteren Molekülen. Beim Aufprall findet eine Impulsübertragung statt. Schließlich vermischt sich alles zu einem thermischen Gleichgewicht. Die folgenden Animationen veranschaulichen sowohl die Diffusion als auch die Wärmeleitung:

  • Video, das das Mischen von heißem/kaltem Gas zeigt (erste 15 Sekunden ansehen):

    https://www.youtube.com/watch?v=tEFHkcx2cz0

  • Das Video (45 Sek.) demonstriert schön die Energieübertragung der Kollisionen.

    https://www.youtube.com/watch?v=CXZWRkJeKq0

    Hinweis: Moleküle in diesem Video werden von den langsamsten/kühlsten als blau/gelb bis zu den schnellsten/heißesten als orange/rot dargestellt. Zunächst sind alle Moleküle blau/gelb. Die rechte Seite des Behälters ist eine Heizplatte. Wenn Moleküle die heiße Platte berühren, gewinnen sie kinetische Energie. Alle Moleküle werden schließlich in energiereichere/schnellere/heißere umgewandelt, wie durch Orange/Rot gekennzeichnet.

Wie Sie sehr gut zeigen, gibt es bei fehlender Schwerkraft keine hydrostatische Trennung. Dh es spielt keine Rolle, dass die wärmere Luft eine geringere Dichte hat, es gibt keine Schwerkraft, die sie trennen würde.

Aber es gibt viele andere Effekte, die trotzdem funktionieren würden, weil sie nicht durch die Schwerkraft verursacht werden. Am wichtigsten ist die Verbreitung :

Diffusion

Darüber hinaus unterscheidet sich bei einer brennenden Kerze nicht nur die Temperatur, sondern auch die Materialzusammensetzung um das Licht herum und darüber hinaus. Die brennende Kerze wandelt den Sauerstoff der Luft in Kohlendioxid und Dampf um. Die Verbreitung wird sie mischen.

Das Ergebnis ist, dass die Kerze immer noch genug Sauerstoff zum Anzünden hat, aber viel weniger:

Kerze im Weltraum

Danke für die Antwort, aber ich sehe hier keinen wirklichen Schluss. Es tritt eine gewisse Diffusion auf. Okay. Wie bewegt sich die Luft dadurch im Verhältnis zur umgebenden kühleren Luft? Sie mischen sich nur passiv, als ob die Kerze nicht noch brennen würde? Die heiße Luft bewegt sich von der Kerze weg und kühlere Luft strömt ein, um erwärmt zu werden? Was passiert mit der Luft?
@DCShannon Ja, sie mischen sich passiv. Das ist die Diffusion. Und es gibt auch eine Wärmeleitung. Aber das sind viel langsamere Prozesse als die hydrostatische Trennung in Anwesenheit der Schwerkraft, deshalb hat die Kerze viel schwächeres Licht.

Was ich schlussfolgern kann, ist, dass es ohne Schwerkraft keine Auftriebskraft gibt, so dass keine Bewegung physikalisch möglich ist, aber heiße Luft beginnt, Wärme mit der kühleren Luft durch Leitung und Strahlung auszutauschen, wenn sie miteinander in Kontakt sind und nur durch reine Strahlung, wenn sie keinen Kontakt haben. (Wegen der Schwerkraft kann keine Konvektion stattfinden) Die Zeit, die benötigt wird, um im Gleichgewicht zu sein, kann berechnet werden, wenn die Masse der Gase, das Volumen und die Temperatur bekannt sind.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich ganz zustimme. Wo Luft und Temperaturunterschiede sind, ist Bewegung. Ich bin mir nicht sicher, was ein Luftstrom ohne Schwerkraft macht, welche Form er annimmt oder wie sich diese Form mit Bewegung und Richtung ändert, aber ich denke, die gleiche Wärme- oder Drucksphäre könnte nur in einer bewegungslosen, leblosen, kontrollierten Situation auftreten. Ich denke, die Strömungen und Bewegungen von Wärme und Kälte würden dazu führen, dass Stellen in der Kugel nach außen strömen oder in Strömen weggedrückt werden oder zusammenbrechen oder abkühlen und eine Ansammlung oder Rückstau verursachen, die Pfützen bilden, bis sie die Temperatur oder die Stromänderung erreichen würde sich eher wie eine Lavalampe bewegen, was auch immer sie ohne Schwerkraft tut, aber eine winzige Strömung könnte alle möglichen Reaktionen hervorrufen. Wo sich Warmes und Kaltes treffen, gibt es wirbelnde Strudel, nicht nur Ausdehnung. Was ist das sphärische Äquivalent zu einer Säule aufsteigender heißer Luft? Ein rollender Pilz oder ein Torus wie ein Gummiband oder O-Ring entlang eines Zylinders?

Feuer verursacht sein eigenes Wettersystem Flamenados und starke Winde, wie das ohne Schwerkraft aussehen würde. Einige Auswirkungen der aktuellen Bewegung, Thermotransfer usw. würden sich nicht ändern, und bei einigen würde ich auch denken, dass einige Prozesse möglicherweise nicht existieren und andere möglicherweise nur in dieser Umgebung existieren. Eine kleine Streichholzflamme ist kugelförmig, aber was ist mit einer riesigen Flamme jenseits der Oberflächenspannung einer Blasenflamme? Denken Sie an Proportionen wie bei Flüssigkeiten
Wie wirkt heiße Luft in der Schwerelosigkeit?
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