www.albrecht57.de -
Терміки
Математико-фізичний розгляд основ адіабатичних змін стану
Так, я знаю, страшне чудовисько! І як би цього було недостатньо, існує також вологий адіабатичний градієнт підняття і, нарешті, градієнт розшарування. Однак, якщо ви хочете досягти високої спортивної авіації без двигуна (або залишатися там якомога довше), ви повинні хоча б уявити ці громіздкі терміни та знати їх взаємозв'язок.
Зміни ми спостерігаємо лише ввечері нашого літнього дня, коли сонце сідає як червона куля. Зараз шлях сонячних променів через атмосферу набагато довший, ніж опівдні, і, крім того, через плоский кут падіння сонячних променів на повітряну оболонку, частина цих променів відбивається назад у космос, як дзеркало. Зокрема, короткохвильове блакитне сонячне світло прощається таким чином, і червона частина випромінювання відповідно збільшується. Вдень сонячне світло безперешкодно проникає крізь невидиму атмосферу і лише прогріває землю на дні океану повітря, тоді як саме повітря не прогрівається сонячними променями. Це явище також можна перевірити в невеликому масштабі, сонячно на кожному вікні: Хоча прозоре скло залишається відносно прохолодним, віконні рами зовні значно нагріваються, залежно від кольору. Нагріта таким чином земля тепер виконує функцію нагрівальної плити і нагріває повітря над нею. І чим далі ми переходимо від цього джерела тепла на більші висоти, тим холодніше воно стає.
Градієнт стратифікації
Відповідно до стандартної атмосфери ІКАО, ми маємо середню температуру 15 ° C на рівні моря і середню температуру -56,5 ° C в кінці тропосфери на 11 км. Це знижує температуру на 71,5 ° C до 11000 м або 36000 футів. Якщо перевести це на менші інтервали висоти, ви отримаєте 0,65 ° C на 100 м або 2 ° C на 1000 футів. сумлінно кажучи, що зниження температури аж до тропопаузи аж ніяк не настільки рівномірне, але час від часу робить чіткі стрибки. Одне задовольняється цим середнім значенням 0,65 ° C на 100 м і називає це градієнтом стратифікації ІКАО.
Таким чином, градієнт стратифікації є середньостатистичним значенням нахилу кривої температури в атмосфері, і ви можете легко підрахувати, наприклад, що з дружніх 20 ° C в Гарміш-Партенкірхені на висоті 800 м на вершині Цугшпітце на висоті 3000 м залишається прохолодна 5 ° C. Якщо ми дійсно піднімемося з канатною дорогою і проведемо градусник у вікно, це покаже значення температури, яке на 0,65 ° C нижче на кожні 100 метрів.
Повітряні посилки в рюкзаку
Давайте візьмемо з собою добре упакований кубічний метр повітря на шляху до Цугшпітце, будь то пішки, із зубчастою залізницею або на зручній канатній дорозі. Добре упаковані повинні означати, що ми вибираємо упаковку, яка повністю ізолює повітряний пакет і, отже, не пропускає ні тепла, ні всередину. З іншого боку, ця упаковка повинна бути невагомою, гнучкою та розтяжною, якщо потрібно, щоб наш повітряний пакет завжди мав необхідний обсяг, не стискаючи та не розриваючи. Фізик називає цей стан ідеальної теплоізоляції адіабатичним, що пояснювало б невелику, але важливу частину вищезазначеного слова монстр.
На шляху вгору зовнішній тиск повітря постійно знижується. Тиск повітря породжується вагою повітряних мас над нами. Чим вище ми піднімаємося, тим менше повітря над нами і тим менший тиск він створює. Ми, люди, відчуваємо такі поступові зміни тиску повітря, коли нас застуджує, і в основному, коли тиск повітря знову зростає, коли ми опускаємося. Потім нам доводиться часто ковтати, щоб зняти тиск з вух. Зниження тиску повітря з висотою можна розрахувати, використовуючи міжнародну формулу висоти:
1013,25 гПа - тиск на землю на рівні моря. Якщо ввести бажану висоту в км за год, формула обчислює тиск на цій висоті.
Під час підйому наша повітряна посилка реагує на зменшення зовнішнього тиску повітря: вона розширюється і стає більшою. Повітря, яке розширюється, але стає холоднішим! Наш холодильник працює за цим принципом, і ми, напевно, вже помітили зворотний ефект при накачуванні шини, якщо ми робили це вручну за допомогою повітряного насоса і не використовували компресор. Повітряний насос нагрівається! Звичайно, компресор також нагрівається, саме тому ми не повинні торкатися його циліндра під час роботи, щоб не обпекти пальці! Цей повсякденний досвід вчить нас, що повітря нагрівається при стисненні. Протилежний випадок також можна довести, відкривши клапан на заповненому контейнері компресора: Клапан стає холоднішим і холоднішим через витікання повітря, волога в навколишньому повітрі конденсується на ньому і при достатньому надходженні повітря може утворитися мороз. Зрештою, такі ігри можуть навіть охолодити повітря настільки, що воно стає рідким! Якщо ви не вірите, відвідайте Deutsches Museum в Мюнхені, щоб переконатися на власні очі!
Розширення означає охолодження
Наша повітряна посилка не тільки стає більшою, але і холоднішою завдяки цьому розширенню. Охолодження відбувається лише через процес розширення через зменшення тиску, а не від навколишнього середовища, яке також стає холоднішим; Зрештою, у нас він на 100% теплоізольований! Це охолодження також можна розрахувати:
За винятком показника, формула виглядає досить нешкідливо: температурні умови пов'язані з умовами тиску. Однак ми також повинні враховувати теплоємність задіяного газу, тобто повітря. Теплоємність вказує на те, наскільки підвищується температура речовини, коли вона постачається енергією. При певній кількості речовини з великою теплоємністю для того ж підвищення температури потрібно більше енергії, ніж для тієї ж кількості речовини з малою теплоємністю. Наприклад, щоб нагріти 1 кг деревини на 10 ° C, потрібно близько 25 кДж. На один кг заліза потрібно лише 4,5 кДж для того самого підвищення температури. Щоб нагріти один літр води на 10 ° C, нам потрібно майже 42 кДж. Питома теплоємність речовини, образно кажучи, свідчить про її здатність поглинати енергію, не відразу ж «зраджуючи» їй через різке підвищення температури.
Гази також мають таку питому теплоємність і не лише одну, а дві! Якщо додати до газу енергію, щоб температура його зросла, він буде розширюватися настільки, наскільки це можливо, тобто збільшувати його об’єм при тому самому тиску. Однак, якщо нагрівальний газ зафіксований у фіксованому обсязі, він реагує збільшенням тиску. Оскільки найцікавіше: залежно від газу, різна питома теплоємність:
У першому випадку, тобто зі збільшенням обсягу та постійного тиску, повітря має питому теплоємність 1,005. У цьому випадку для нагрівання 1 кг повітря на 10 ° C потрібно близько 10 кДж Якщо при нагріванні обсяг залишається незмінним, так що тиск збільшується, питома теплоємність повітря становить лише 0,717. Тож зараз для нагрівання тієї ж кількості повітря на 10 ° C потрібно лише 7,1 кДж.
У разі адіабатичних змін стану газів часто відіграє роль коефіцієнт двох питомих теплоємностей; він становить 1,402 і представлений у формулі невеликою грецькою каппа.
Зниження температури повітряної посилки, що перевозиться
Це означає, що ми вже маємо всі формули, необхідні для розрахунку зниження температури в нашому транспортуваному та добре ізольованому повітряному пакеті: За допомогою міжнародної формули висоти ми визначаємо зниження тиску з висотою і, використовуючи другу формулу, виводимо зниження температури. Звичайно, ми не робимо ці розрахунки вручну, для чого потрібні електронні таблиці?
Тиск на рівні моря
Висота над початковою висотою
Температура в К
Температура в ° C
Записи користувача виконуються лише у трьох полях з жовтим фоном, всі інші значення обчислюються залежно від цього. У наведеному вище прикладі вводяться стандартні значення ICAO, і ви можете чітко бачити, як тиск і температура нашої перевезеної повітряної посилки зменшуються із збільшенням висоти. Вражає те, що зниження температури майже лінійне, хоча використовувані формули містять дуже "криві" показники. Зниження температури повітряної посилки, що транспортується, становить майже 1 ° C на 100 м різниці у висоті, і це якраз сухий градієнт підняття ададіабатичного підйому!
Сухий адіабатичний градієнт підняття
Він називається градієнтом "підйому", оскільки ми транспортуємо повітряну посилку вгору і таким чином піднімаємо її механічно. Це адіабатичний градієнт підйому, оскільки завдяки нашому оптимальному пакуванню ми запобігаємо будь-якій енергії і, таким чином, теплообміну з навколишнім середовищем. І нарешті, воно сухе, тому що ми упакували повністю сухий пакет повітря в Гарміш без конденсації водяної пари. Яка температура нашого повітряного пакета, коли ми нарешті досягаємо вершини? У наступній таблиці дані, які вже були прийняті вище для Гарміш-Партенкірхена, вводяться як початкові значення, а саме 20 ° C на висоті 800 м. Цими цінностями ми в основному запакували наше повітря.
Тиск на рівні моря
Висота над початковою висотою
На вершині на висоті 3000 м вона досягає -1,64 ° C, отже, вона майже на 7 ° C холодніша за навколишнє повітря в Schneefernerhaus. Через градієнт розшарування ми визначили температуру навколишнього середовища близько + 5 ° C. Зв'язана таблиця EXCEL називається adiabate.xls. Це означає, що кожен може змінювати початкові значення за бажанням і спостерігати за ефектами. Дивно, що значення температури і, отже, різниці температур не змінюються, якщо QNH, тобто тиск на рівні моря, змінюється.
Вологе повітря
Але що, якби ми запакували вологе повітря? Якщо є сухий адіабатичний градієнт підняття, мокрий адіабатичний, звичайно, недалеко! Однак, щоб пояснити те саме, нам доведеться повернутися трохи назад:
Вода є дуже важливим фактором погоди. Не буде перебільшенням сказати, що без води не було б погоди! Вода зустрічається у всіх трьох агрегатних станах атмосфери: рідкому, газоподібному та твердому. Це давня помилкова думка, що хмари складаються з водяної пари, бо водяна пара невидима! Якщо у вас є проблеми з цим, дуже уважно подивіться, коли мати відпарює Сікоматик на кухні. Безпосередньо біля точки виходу та через 2-3 см після цього ви нічого не бачите! Хмари туману починають утворюватися лише на більшій відстані від горщика. Тепер раніше гаряча водяна пара вже конденсувалася назад у рідку воду через відносно прохолодне середовище. Отже, те, що ви бачите, - це крихітні крапельки води! Отже, повітря може дуже добре містити водяну пару (тобто газоподібну воду), не бачачи її. Отже, коли ми щось бачимо, це завжди рідка вода. Тому хмари складаються з рідкої або вже застиглої води у вигляді крихітних крапель або кристалів.
Для наших подальших міркувань перехід між трьома державами представляє особливий інтерес. Тож давайте розглянемо, що відбувається, коли вода випаровується. Для того, щоб відстежити ці явища, нам потрібен лише термометр на додаток до каструлі з водою на плиті. Всім відомо, що температура води підвищується, коли ми вмикаємо плиту. Ми додаємо енергію, тому температура нагрітого матеріалу зростає відповідно до питомої теплоємності. Ми вже згадували вище, що на 1 кг води потрібно близько 42 кДж енергії для підвищення температури на 10 ° C. Раніше, коли все було набагато краще, стрункі жінки рахували калорії під час їжі, а фізики - калорії (калорії, а не жінки!). То були дні! Стара енергетична одиниця "калорія" насправді була "відкалібрована" до води і забезпечувала набагато приємніші значення, ніж новомодний джоуль. Тому ми ненадовго повертаємось у ті давні, прекрасні часи, щойно зроблений розрахунок говорить: Щоб нагріти 1 кг води на 10 ° C, вам потрібно кількість енергії в 10 кілокалорій. Або, що абсолютно однаково: 1 кілокалорія на 1 ° C на кг.
Якщо ми поставимо на плиту наш горщик з одним кілограмом холодної води 20 ° C, нам потрібно 80 кілокалорій, щоб нагріти цю кількість до 100 ° C. Ми можемо легко визначити це підвищення температури за допомогою нашого термометра: він піднімається повільно, але стабільно. Як усі вірять, вода кипить при цій температурі, тому процес випаровування йде повним ходом. Кипить і випарюється, плита все ще стріляє на найвищому рівні, тільки наш термометр більше не смикається. Він залишається вкоріненим при 100 ° C!
Джерело енергії водяна пара
Принаймні зараз слід почати розмірковувати: куди йдуть всі ті красиві та дорогі калорії, які все ще постачає плита? Вони більше не придатні для підвищення температури води, як доводить термометр. Ця енергія також не може піти; цьому заважає принцип збереження енергії. Зараз залишається лише процес випаровування, і саме для цього використовуються всі калорії. Потрібна неймовірна кількість енергії, щоб перетворити рідку воду на пару при однаковій температурі. Якщо ми хочемо випарувати цілий літр води, ми повинні витратити на це майже 600 кілокалорій. Для порівняння, 80 кілокалорій, розраховані вище для розминки, виглядають абсолютно смішно!
Ця енергія зараз у парі. Якщо ми знову дозволимо їй конденсуватися, саме ця кількість енергії знову виділяється як тепло конденсації. Перш за все, водяна пара є гідним джерелом енергії. По-друге, він має надзвичайно врівноважуючий ефект, оскільки він поглинає багато енергії під час надлишку і може знову виділяти її під час дефіциту. Без водяної пари або без її здатності накопичувати енергію ми мали б набагато більш відверту різницю температур на землі.
Водяна пара в повітрі
Вода, яка випаровується в горщику або випаровується на поверхні землі, піднімається високо в атмосферу і знаходиться в повітрі як невидимий водний газ. Це стає помітним у прохолодні ночі, коли воно осідає у рідкому вигляді у вигляді роси на траві та вікнах автомобіля. Якщо ви не хочете виходити на холод, ви можете замовити холодне пиво у своєму пабі, а потім спостерігати за тим самим явищем на своїй склянці. З цього ми дізнаємось, що повітря віддає водяну пару, що міститься у ньому, за низьких температур. Дуже наочно ми можемо уявити повітря як губку, яка може поглинати і накопичувати воду, але також дозволяти їй капати знову. Ємність нашої повітряної губки залежить виключно від її температури: чим вище температура повітря, тим більше водяної пари вона може поглинати. Існує грубе, але все ще достатнє правило для такої "ємності" повітря: Один кубічний метр повітря може поглинути максимум стільки водяної пари в грамах, скільки його температура в ° С Коротше кажучи: 1 кубічний метр повітря при 10 ° C може поглинути максимум 10 г водяної пари; якщо ми хочемо вмістити 20 г водяної пари, повітря повинно бути принаймні 20 ° C теплим.
Назад до Гарміша
Давайте запакуємо ще один кубічний метр повітря при температурі 20 ° C у нашу феноменальну ізоляційну втулку в Гарміші. Але цього разу ми беремо ту, яка містить рівно 10 г водяної пари. Оскільки ми можемо легко розрахувати (1 ° C/100 м) або подивитися у таблиці вище, нам потрібно піднятися рівно на 1000 м, поки наш повітряний пакет не охолоне до 10 ° C. Хоча зараз у повітрі випаровується, спочатку ми можемо легко зробити вигляд, що він повністю висох. Поки вміщена вода міститься виключно як невидимий газ, це взагалі не впливає на наші раніше зроблені міркування та розрахунки.
Однак, якщо ми піднімемося вище, а повітря охолоджується далі, вміщена водяна пара більше не зможе утримуватися, оскільки для 10 г пари потрібна температура повітря не менше 10 ° C. Кожне подальше охолодження призводить до конденсації надлишку пари. Якщо наша супер оболонка також прозора, ми бачимо, що зараз ми несемо маленьку хмаринку в гору. Під час цієї конденсації тепло конденсації, що зберігається в парі, знову виділяється. Це означає, що повітряна посилка більше не охолоджується на 1 ° C на 100 м різниці у висоті на подальшому шляху вгору. Зниження температури нижче за рахунок енергії, що конденсується, водяної пари і становить від 0,3 до 0,9 ° C залежно від вмісту водяної пари та початкової температури; Ми очікуємо в середньому 0,6 ° C. Це градієнт вологого адіабатичного підняття.
Щоб "продовжити" приклад далі: якщо ми піднімаємося на решту 1200 м до вершини, а транспортуване повітря охолоджується лише на 0,6 ° C на 100 м, наш повітряний пакет знаходиться вгорі на +2,8 ° C Хоча все ще холодніше, ніж навколишнє повітря, воно все ще значно тепліше, ніж посилка, яку раніше транспортували сухим.
Обговорювані градієнти завжди вказують на величину зниження температури зі збільшенням висоти. Спочатку слід розрізнити, чи вимірюємо ми зниження температури в статичному шарі повітря, де на більших висотах стає холодніше просто тому, що ми все далі віддаляємось від «нагрівальної пластини» землі. В іншому випадку ми піднімаємо повітря механічно. Повітря стає холоднішим, оскільки розширюється. Тут слід розрізняти, чи підняте повітря сухе (тобто без видимої конденсації) або вологе.
Зниження температури шару повітря, що відпочиває.