Hefgas

Volgens de wet van Archimedes ondervindt een voorwerp een opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van de verplaatste hoeveelheid vloeistof of gas. Het effectieve gewicht, dus het gewicht van het voorwerp zelf minus het gewicht van de verplaatste materie, kan positief, nul of negatief zijn; als er verder alleen wrijvingskrachten zijn bepaalt dit of het voorwerp vanuit stilstand zinkt, op zijn plaats blijft of opstijgt. Bij een grotere valversnelling zal het voorwerp sneller zinken of opstijgen. Als de valversnelling gelijk is aan nul, dus bij gewichtloosheid, zweeft ieder voorwerp en is er geen sprake meer van een hefvermogen.

Als het voorwerp zelf (gemiddeld) een lagere dichtheid heeft dan de verplaatste hoeveelheid materie, dan is het effectieve gewicht negatief en zal het omhoog bewegen. Van dat effect wordt gebruikgemaakt om luchtschepen te laten zweven. Hiervoor is het nodig dat de gemiddelde dichtheid van het vaartuig lager is dan die van het omringende medium, in de regel de buitenlucht (op zeeniveau ongeveer 1,29 kg/m³).

Dit kan bereikt worden door:

• een hogere temperatuur bij gelijke druk (heteluchtballon)
• een lichtere gassoort bij gelijke temperatuur en druk - In dit geval is het hefvermogen per deeltje gelijk aan de gemiddelde massa van de moleculen waar lucht uit bestaat verminderd met de gemiddelde massa van de moleculen in de ballon.
• een lagere druk (bijvoorbeeld de hypothetische vacuümballon)

De hefkracht F (in newton) wordt als volgt berekend:

${\displaystyle F=V\cdot g\cdot \left(\rho _{2}-\rho _{1}\right)}$

Hierin is:

V het volume van het hefgas in kubieke meter (m³);

g de valversnelling (in m/s²);

ρ₁ de dichtheid van het hefgas (in kg/m³);

ρ₂ de dichtheid van de omringende lucht (in kg/m³).

De dichtheid van een gas bij atmosferische druk is eenvoudig vast te stellen, ze is namelijk evenredig aan het molecuulgewicht. Wordt het gas verwarmd, dan deelt men de dichtheid door de verhouding van de temperatuur van het gas (in kelvin) en van de omringende lucht.

• Lucht, 80% stikstof (N₂: 28) 20% zuurstof (O₂: 32): molecuulgewicht 28,8
• Hete lucht bij 100°C of 373 K in omgevingslucht van 25°C of 298 K: molecuulgewicht 28,8 × 298 / 373 = 22,7
• Waterstof, H₂: molecuulgewicht 2×1=2
• Helium, He: molecuulgewicht 4
• Stoom van 100°C, H₂O, molecuulgewicht (2+16) × 298 / 373 = 14,3
• Ammoniak, NH₃, molecuulgewicht 14+3×1=17
• Methaan, CH₄, molecuulgewicht 12+4×1=16
• Neon, Ne, molecuulgewicht 10
• Stikstof, N2, molecuulgewicht 2×14=28

De hefkracht hangt af van het verschil in dichtheid met de atmosferische lucht. Voor helium bij 25°C is dat

${\displaystyle {\frac {28,8-4}{28,8}}\times 1,3\ kg/m^{3}=1,1\ kg/m^{3}}$

De vuistregel is dat een kubieke meter helium een kilogram kan optillen.