4. Stabilité. Instabilité
La bulle ascendante, dont la température décroît constamment à mesure qu'elle s'élève, deviendra, à partir d'un certain niveau, plus froide que l'air environnant. À ce moment, la poussée d'Archimède, jusqu'alors dirigée vers le haut, se trouvera dirigée vers le bas et l'ascension de la particule consommera de l'énergie : elle sera freinée puis s'arrêtera. Plus froide, donc plus dense que l'air ambiant, elle aura tendance à redescendre.
On dit qu'une masse d'air est en équilibre stable, ou simplement stable, lorsqu'une particule d'air (bulle) déplacée verticalement à une petite distance de son niveau initial, sous l'effet d'une action perturbatrice très petite, tend à revenir à son niveau initial.
Si cette particule tend spontanément à s'éloigner de son niveau initial sous l'effet de l'action perturbatrice primitive, la masse d'air est dite instable. Si cette particule ne manifeste aucune tendance à quitter sa nouvelle position, la masse d'air est dite en équilibre indifférent.
• Équilibre vertical d'une particule d'air
Pour étudier l'équilibre vertical d'une particule d'air, il est nécessaire de déterminer les forces qui s'exercent sur elle. Ces forces sont de deux sortes : forces de pesanteur qui s'exercent sur chacune des molécules qui constituent la bulle ou particule ; forces de pression exercées par le milieu extérieur sur la surface idéale qui limite la particule.
On sait que les forces de pesanteur se réduisent à une résultante unique qui est le poids P de la particule, vertical et dirigé vers le bas et appliqué au centre de gravité de la particule. Les forces de pression se réduisent également à une résultante unique R, verticale et dirigée vers le haut, qui est la poussée d'Archimède. Si T′ et T sont les températures respectives de l'air de la bulle et de l'air environnant et si p et p′ sont les pressions initiales et finales de la bulle dans son déplacement vertical, les lois des gaz permettent de calculer le travail mis en jeu pendant ce déplacement :
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