Почему воздушный шарик, наполненный водородом,поднимаясь над землей,увеличивается в объеме?

Кратко: шарик расширяется из-за пониженного внешнего давления по мере подъёма в воздухе. Водород внутри шара остаётся тем же по количеству молекул, а оболочка шара гибкая, поэтому она растягивается и объём шарика увеличивается, чтобы внутреннее давление приблизилось к внешнему. Подробно по шагам 1) Что происходит с давлением с высотой - На поверхности давление воздуха примерно равно 1 атмосфере. С высотой давление атмосферно снижается. - В оболочке шара внутреннее давление газа хочет быть примерно равным внешнему давлению (за счёт упругости оболочки). Но когда внешнее давление падает, шарик может растягиваться и заполнять больший объём. 2) Как связаны объём, давление и температура - Для идеального газа действует уравнение состояния PV = nRT, где: - P — давление, - V — объём, - n — количество молекул газа, - R — газовая постоянная, - T — температура. - При фиксированном числе молекул n и примерно незначительных изменениях температуры T, снижение внешнего давления P заставляет V расти, чтобы произведение PT оставалось примерно равным nRT. - Поэтому при подъёме шарик набирает объём: P уменьшается, V увеличивается (пока оболочка может растягиваться). 3) Что именно происходит в реальном шарике - Шарик наполнен водородом и имеет гибкую оболочку. По мере подъёма оболочка растягивается, чтобы внутренняя часть шарика не была выше внешнего давления. - Увеличение объёма означает, что шарик становится легче в расчёте на объём (он вытесняет больше воздуха) и продолжает подниматься до тех пор, пока сила Buoyancy (выталкивающая сила) больше веса шара. - В конце концов дальше рост объёма возможен только до тех пор, пока оболочка не порвётся или пока изменится температура/давление так, что равновесие нарушится. 4) Простое число для наглядности - Пусть на старте P1 ≈ 101 кПа (1 атм), V1 — начальный объём, при котором T примерно постоянна. - На высоте P2 < P1. В приближении при той же температуре V2 ≈ (P1/P2) · V1. - Например, если внешнее давление упало до 0.8 атм, то V2 ≈ (1 / 0.8) · V1 ≈ 1.25 · V1 — объём увеличится примерно на 25%. 5) Дополнительные нюансы - Температура в атмосфере обычно падает с высотой. Это может уменьшать или смещать эффект расширения, но основная причина роста объёма — снижающееся внешнее давление. - В реальных условиях шарики, наполненные водородом, могут лопнуть при чрезмерном расширении, поэтому такие эксперименты на практике заменяют водород на более безопасный гелий. Итог Причина увеличения объёма водородного шарика при подъёме в высоту — снижение внешнего давления воздуха. Гибкая оболочка шарика позволяет ему растягиваться, и по закону PV = nRT, если давление окружающей среды падает, объём шарика растёт (при условии примерно постоянной температуры и фиксированного количества молекул водорода).