Почему дым поднимается вверх: физика конвекции простым языком
Дым поднимается вверх потому, что горячий воздух и частицы дыма в зоне горения значительно легче окружающего холодного воздуха: более плотный холодный воздух давит снизу и буквально вытесняет лёгкую горячую смесь вверх. Этот механизм называется тепловой конвекцией и подчиняется закону Архимеда.
Закон Архимеда и воздух
Большинство людей знают закон Архимеда применительно к воде: тело вытесняет жидкость и испытывает выталкивающую силу. Тот же принцип работает с газами, просто выталкивающая сила в воздухе значительно меньше, чем в воде, из-за малой плотности газа. Когда воздух нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и занимать больший объём. Давление газа при постоянном объёме растёт, а если воздух может расшириться, то при прежнем давлении в том же объёме помещается меньше молекул. Это значит, что плотность горячего воздуха меньше, чем холодного. Воздух при температуре 300 градусов Цельсия примерно вдвое легче, чем при 20 градусах. Холодный тяжёлый воздух опускается вниз под действием силы тяжести, а лёгкий горячий воздух выдавливается вверх.
Почему частицы дыма следуют за воздухом
Дым состоит из мельчайших твёрдых и жидких частиц: сажи, капелек воды, несгоревших органических соединений. Сами по себе эти частицы тяжелее воздуха и при отсутствии движения воздушных масс оседали бы вниз. Но они взвешены в потоке горячего воздуха, который непрерывно поднимается над источником тепла. Восходящий поток захватывает их и несёт вверх так же, как речное течение несёт мелкий песок. Скорость восходящего потока над обычным костром достигает 2-5 метров в секунду, и этого более чем достаточно, чтобы удерживать и поднимать частицы дыма размером в несколько микрон.
Почему дым иногда стелется по земле
Если дым поднимается вверх из-за конвекции, почему он иногда опускается и стелется у земли? Это происходит при особых условиях атмосферы. В спокойную погоду с температурной инверсией: когда приземный слой воздуха оказывается холоднее слоя воздуха выше, восходящая конвекция ослабевает или прекращается. Горячие продукты горения поднимаются до уровня, где температура воздуха совпадает с температурой дымового шлейфа, и дальше не движутся. Ветер разносит дым горизонтально, а вблизи земли он может смешиваться с холодным воздухом и опускаться. Именно поэтому в промышленных городах в безветренные морозные дни при инверсии дымовые шлейфы заводов не уходят в небо, а накапливаются в приземном слое. Учитывая это явление, российские нормативы СанПиН регламентируют высоту промышленных труб: чем выше труба, тем выше выброс попадает в зону активного ветра и рассеивания.
Как тепловая конвекция используется на практике
Тяга в печи и камине работает именно за счёт конвекции. Горячий воздух и дымовые газы поднимаются по дымоходу, создавая разрежение у основания. Это разрежение подтягивает свежий воздух снизу, поддерживая горение. Чем выше труба и чем горячее газы, тем сильнее тяга. Опытный печник знает: холодная труба в начале растопки даёт обратную тягу, и дым идёт в комнату. Чтобы это исправить, сначала прогревают дымоход бумагой или щепками прямо в прочистном отверстии. В промышленности принцип конвекции используется в градирнях тепловых электростанций, в вентиляционных шахтах шахт и в системах естественной вентиляции промышленных зданий, что позволяет экономить электроэнергию по сравнению с принудительной вентиляцией.
