اگر دما افزایش یابد اما حجم موجودثابت باشه، آیا بالون هوا بلند می شود؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1875

سپاس: 3351

جنسیت:

تماس:

اگر دما افزایش یابد اما حجم موجودثابت باشه، آیا بالون هوا بلند می شود؟

پست توسط rohamjpl »

در مورد بالون هوای گرم میدونیم که وقتی هوا گرم می شود، حجم بالون بدون تغییر باقی میمونه. اما از آنجایی که هوای گرم شده منبسط می شود، بخشی از آن از بالون خارج می شود زیرا بسته نشده است (پایین آن باز است). بنابراین وزن هوای داخل بالون کاهش می یابه چگالی هوای گرم در بالن نسبت به هوای خنک اطراف آن کمتر است. بنابراین بالون بلند می شود.
اگر از یک بادکنک بسته از پارچه غیر قابل کشش استفاده شود، فشار در بالون افزایش می یابد اما حجم بادکنک بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین چگالی هوای داخل بالون و شناوری ثابت می ماند و بالون بلند نمی شود.هنگامی که فشار را در یک حجم بسته افزایش می دهید، فشار افزایشی روی تمام قسمت های سطح اثر می گذارد. از آنجایی که هر دو ناحیه رو به بالا و رو به پایین یکسان هستند، این فشارها یکدیگر را خنثی می کنند.
اگر می خواهید ناحیه انتهای پایین حجم را کاهش دهید، باید یک سوراخ در آن ایجاد کنید. اکنون ناحیه بالایی با مساحت سوراخ بزرگتر است و حجم توسط نیرویی که حاصل ضرب اختلاف فشار به فشار بیرونی و اختلاف سطح است که مساحت سوراخ است به سمت بالا وادار می شود. با این حال، این نوع بالابر شناور نیست، بلکه رانش راکتی است. متأسفانه، به محض باز کردن آن سوراخ، گاز خارج می شود و اختلاف فشار از بین می رود، مگر اینکه گاز بیشتری را به حجم پمپ کنید
اگر بالون بسته باشد، بله، با گرم شدن گاز داخل، هم حجم و هم فشار افزایش می یابد. ابتدا به دو مورد ساده تر نگاهی میکنم
اگر گاز کاملاً آزاد بود که در برابر فشار محیط منبسط شود (مثلاً در داخل یک ظرف مهر و موم شده با پیستون آزادانه و بدون اصطکاک)، آنگاه گاز گرم شده منبسط می شود تا جایی که نیرویی در هر ناحیه (فشار گاز) ایجاد کند. نیرویی که در هر ناحیه بر آن وارد می شه(فشار محیط)، به طوری که نیروها خنثی می شوند و پیستون از حرکت باز می ایستد. در اینجا، افزایش دما در گاز صرفاً به افزایش حجم ترجمه می شود.
اگر گاز در یک جعبه کاملاً سفت محبوس شود، افزایش دمای گاز باعث می‌شود که مولکول‌های داخل با شدت بیشتری به سطوح داخلی برخورد کنند، اما فایده‌ای ندارد، زیرا دیوارها تکان نمی‌خورند و جعبه دقیقاً به همان اندازه باقی می‌ماند. در اینجا، افزایش دما در گاز صرفاً به افزایش فشار ترجمه می شود.
در یک بالون، گاز آزاد است که منبسط شود، اما کاملا آزاد نیست. به عبارت دیگر، این وضعیت جایی بین دو موردی است که در بالا توضیح داده شد. پوست بادکنک یک الاستیک است که خود را می کشد و یک بردار نیرو ایجاد می کند که به سمت داخل بالون می رود و هر چه پوست بیشتر کشیده شود، نیرو قوی تر می شود. حالا گاز داخل بالون باید فشار کافی ایجاد کند تا هم فشار محیط و هم نیروی کشسانی که سعی می کند پوست بادکنک را به سمت داخل بکشد را جبران کند. این بدان معناست که پس از گرم شدن، گاز داخل بالون منبسط می‌شود، زیرا بالون کاملاً سفت نیست، اما فشار تعادلی گاز داخل بالون بیشتر از قبل خواهد بود زیرا بالون به بالون محکم‌تری فشار می‌آورد.
این باید به صورت تجربی و بدون مشکل قابل اثبات باشد. شما کاربران هوپا میتونید یک بادکنک لاستیکی، ترجیحاً با غشای نازکی که می توانید بردارید و دهانش را به هوای جو باز کنید. سپس، بدون دمیدن هوا در داخل آن را ببندید (در واقع، ممکن است مجبور بشین مقداری هوا را به داخل بدمید تا دیواره های لاستیکی را جدا کنید، اما سپس اجازه دهید تمام هوای اضافی خارج شود). هوای داخل فشاری دقیقاً برابر با فشار محیط خواهد داشت، زیرا الاستیک کشیده نمی شود. حالا بادکنک را برای چند دقیقه کاملاً در آب گرم بپوشانید و باید کمی باد شود. در نهایت بادکنک را از آب خارج کرده و به سرعت با یک جسم تیز آن را سوراخ کنید. ممکن است بتوانید صدای پاپ کوچکی را بشنوید و هجوم هوا را احساس کنید. هر دو نشان می دهند که فشار داخل بالون گرم شده بیشتر از فشار محیط است.
خوب حالا من میگم اثر دمای بالا آمدن بالون هلیوم در هوا
من می‌خواهم موردی را در نظر بگیرم و مطمئن شوم که درست می‌گویم،
اگر بالون با حجم ثابت پر از هلیوم داشته باشم و اجازه بدهم بالون در هوا پرواز کند،
1)اگر دمای هوا افزایش یابد (بدون افزایش دمای هلیوم) چگالی هوا کاهش می یابد، بنابراین نیروی شناوری کاهش می یابد.
2)اما اگر دمای هلیم افزایش یابد حجم ثابت است بنابراین فشار افزایش می یابد سپس چگالی هلیوم ثابت است و چگالی هوا کاهش می یابد بنابراین نیروی شناوری کاهش می یابد.
3)اما اگر حجم هلیوم با فشار ثابت افزایش یابد، چگالی هلیوم کاهش می‌یابد، چگالی هوا کاهش می‌یابد، بنابراین تأثیری ندارد.
بنابراین نیروی شناوری برای جسم غوطه ور سیال محتوی با افزایش دما کاهش می یابد اگر دمای سیال داخلی عایق باشد یا حجم ثابت باشد , نیروی شناوری با تغییر دما در صورت تغییر حجم تغییر نمی کند .
چرا بالن های هلیومی بالا و پایین می شوند؟
اما من موارد مختلفی را می بینم که حجم ثابت هلیوم، با کاهش چگالی هوا، نیروی شناوری کاهش می یابد.نیروی شناوری خالص از اختلاف وزن هلیوم و هوا در یک حجم بدست می آید، بنابراین من از معادلات کمک میگیرم
$F_b=g(\rho_{air}V-\rho_H V)=\Delta\rho\; V g$
که ρ چگالی هوا (هلیوم) و V حجم بالون شماست.
در اولین تقریب، می توانید از قانون گاز کامل برای هلیم استفاده کنید
$pV=nRT$
با n ثابت (R ثابت گاز، p فشار و V حجم، بسته به ثابت بودن یا نبودن حجم، تغییر می کند) به طوری که چگالی هلیوم با
$\rho_H=nM_H/V=pM_H/RT$ که در آن MH جرم مولی هلیم است.
از طرف دیگر، چگالی هوا را می توان تقریبی کرد
$\rho_a=\rho_0(1-\tau h/T_0)^{\alpha g/\tau}$
در جایی که $\alpha$ یک ثابت است، $T_0$دمای سطح دریا و$\tau$ نرخ تغییر دما بسته به ارتفاع است.
بنابراین موجب شناوری بالن شما می شود
$F_b=g V(rho_a-\rho_H)=g V \left( \rho_0(1-\tau h/T_0)^{\alpha g/\tau} - p(h) M_H/RT(h) \right)$
با T(h) و p(h) بسته به ارتفاع.
باز هم می‌توانیم فرض کنیم که $T(h)=T_0-\tau h$ و
$p(h)=p_0(1-\tau h/T_0)^{\alpha g/\tau}$
سپس می توانید اعدادی که دارید، مدلی که برای بادکنک خود دارید و غیره را بزارین تا ببینید شناور در ارتفاع های مختلف به چه جهتی است.$F_b=g V \left(1-\tau h/T_0\right)^{\alpha g/\tau}(\rho_0-p_0M_H/R(T_0-\tau h))$
همه اینها همچنین فرض می‌کنند که هلیوم بلافاصله دمای محیط را می‌گیرد و بالون آنقدر سفت نیست که با فشار بیرونی در تعادل باشد. باز هم، بسته به اینکه بالون شما دارای حجم، چگالی، فشار و غیره ثابت است یا خیر، باید چیزها را تغییر دهید.هنگامی که چگالی هوا کاهش می یابد و چگالی هلیوم ثابت می ماند، نیروی شناور روی بالون کمتر می شود. روشی که شناوری کار می کند، جسم با چگالی کمتر شناور می شود تا جایی که تقریباً با چگالی محیط اطرافش مطابقت داشته باشد. اگر متراکم محیط اطراف کمتر شود، نیروی وارده به بالون کمتر می شود و آن فرو می رود. اگر هوا متراکم تر شود، برعکس است.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
smile260 smile016 :?:
تصویر

ارسال پست