Об’ємна маса
У загальній фізиці щільність матеріального тіла - це в даній точці цього тіла і в даний момент часу маса невеликого об’єму цього тіла, що оточує цю точку, пов’язана зі значенням цього малого об’єму; тому ми можемо виміряти його в кілограмах на кубічний метр (приблизно: кг.м - 3). Густина рідини в точці - це, звичайно, щільність ділянки рідини, яка оточує цю точку. Щільність повітря, часто відзначається ρ (це грецька буква rho), вважається рівним в середньому 1,229 кг м - 3 для сухого повітря при температурі 0 ° C і при нормальному атмосферному тиску. Слід зазначити, однак, що щільність вологого повітря нижча, ніж у сухого повітря, і що за інших рівних умов вона зменшується при збільшенні коефіцієнта змішування, оскільки водяна пара легша, ніж сухе повітря; так само щільність повітря зменшується при підвищенні температури при даному атмосферному тиску або при зниженні тиску при даній температурі (насправді, ρ має тенденцію до досить швидкого зменшення з висотою: для вологого повітря, де воно становить близько 1,2 кг.м - 3 при середньому рівні моря, воно вже досягло порогу 1 кг.м - 3 при 850 гПа, близько 1500 м над рівнем моря ).
Попередні висновки пов’язані з рівнянням стану повітря, яке виражає пропорційність між атмосферним тиском, з одного боку, добутком абсолютної температури на щільність, з іншого боку, коефіцієнтом пропорційності, що незначно залежить від вологи. Це рівняння відіграє важливу роль у метеорології, як і гідростатичне рівняння, де щільність, помножена на прискорення сили тяжіння, виглядає як відношення невеликого вертикального зниження тиску до невеликого вертикального збільшення d висоти d, що йому відповідає. Загалом, щільність є дуже часто використовуваним параметром у фізичних відносинах, що описують атмосферу. Поверхні однакової щільності називаються ізопікневими поверхнями: коли в області простору вони паралельні ізобарним поверхням, то і ізотермічні поверхні (згідно з рівнянням стану повітря, де варіюванням співвідношення змішування нехтують) і відповідна область поводиться як баротропна атмосфера.
Зауважимо, що використання терміна щільність як синоніма Об'ємна маса слід уникати: насправді густина також позначає відношення густини хімічного тіла до щільності еталонного хімічного тіла, що знаходиться в однакових умовах температури та тиску (еталоном є вода для твердих речовин та рідин, повітря для газів).
Щільність як функція тиску, температури та вологості
Розглянемо посилку вологого повітря щільності ρ, розташовані в атмосфері при атмосферному тиску стор і при абсолютній температурі Т . Рівняння стану ідеального газу застосовується на цій сухій повітрі у формі р а = ρ a R a T, або R a = 287 Дж. Кг - 1. K - 1, і до водяної пари у формі e = ρ v R v T, або R v = 461,5 Дж. Кг - 1 .К - 1; тут, р а і e, ρ a і ρ v, R a і R v зверніть увагу на парціальний тиск, густину та рівняння констант стану для сухого повітря та водяної пари відповідно. Щільність повітряної посилки - це сума їх компонентів, тобто ρ = ρ a + ρ v; з іншого боку, тиск, згідно із законом Дальтона, є сумою парціальних тисків його компонентів, тобто стор = р а + e; нарешті, вологість ділянки можна оцінити, серед іншого, за коефіцієнтом її змішування р або за його відносною вологістю u, за визначенням р = ρ v/ρ a і u = 100 e/e w ( Т ), або e w ( Т ) являє собою тиск насиченої пари, зростаючу функцію лише температури Т.
Розглянемо спочатку випадок, коли вологість оцінюється за відносною вологістю. З двох рівності ρ a = (1/R a T ) ( р - е ) і ρ v = (1/R v T ) e, проведемо додаванням відношення ρ = (1/R a T ) < стор - [( R v - R a )/R v ] e >, що забезпечує вираз ρ з точки зору стор, Т і u:
ρ = (1/R a T ) [ стор - (α/100) e w ( Т ) u ],
де коефіцієнт
близько 0,378.
Ми бачимо, що щільність вологого повітря, ат u і Т Дані, відповідають даним сухого повітря, яке було б під тиском нижче стор, але принаймні дорівнює стор - 0,378 e w ( Т ); з іншого боку, ρ виражається як функція від u дійсно, за інших рівних умов, зростаюча функція тиску і спадна функція температури - тому що коефіцієнт e w ( Т )/Т росте с Т - а також відносна вологість.
Далі розглянемо випадок, коли вологість оцінюється за допомогою коефіцієнта змішування. Здійснюючи рівність p - p a = r ρ a R v T вираз р а, що ми повідомляємо в рівнянні стану сухого повітря, отримуємо для ρ a формула ρ a = стор/Т ( R a + Р в р ). Золото, ρ = (1 + р ) ρ a: виводимо вираз ρ з точки зору стор, Т і р, який ще можна записати у формі ρ = ( стор/R a T ) R v - R a )/( R a + Р в р )]] р >. Враховуючи низькі значення, прийняті р стосовно єдності, і знаючи це R v/R a близький до 1,608, правомірно замінити співвідношення 1/(R в + Р в р ) на 1/R a, що дає за ρ приблизний вираз
ρ = ( стор/R a T ) (1 - β р ),
де коефіцієнт
близька до 0,608.
Цей приблизний вираз показує, що ρ, виражений цей час як функція від р, ефективно за інших рівних умов, зростаюча функція тиску і спадна функція температури та коефіцієнта змішування.