Jak souvisí tlak s hustotou vzduchu?

atmosféra se blíží ideálnímu plynu, a jako takový můžete vztahovat tlak a hustotu prostřednictvím rovnice ideálního plynu. Forma, kterou používáme v meteorologii, používá hustotu hmoty a je dána vztahem:

$$ p = {\ rho} RT $$

kde $ P $ je tlak v jednotkách Pa, $ \ rho $ je hustota v jednotkách kg m-3, $ R $ je plynová konstanta pro suchý vzduch (287 J kg-1 K-1) a $ T $ je teplota v Kelvinech. To předpokládá, že suchá atmosféra a vlhkost sníží hustotu pro daný tlak. Úvahy o vodní páře se obvykle přinášejí změnou teploty na virtuální teplotu $ T_V $, kde $ T_V = T (1 + 0,61q) $ a $ q $ je směšovací poměr vodní páry (jednotky $ kg ~ kg ^ {- 1 } $).

Tlak se zvyšuje s teplotou, protože částice mají více kinetické energie (která je úměrná $ T $). Představte si krabici plnou odrážejících se koulí, pokud se tyto kuličky začnou pohybovat rychleji, budou kuličky tvrději narážet na stěny krabice a dodávat krabici větší sílu. Tlak je pouze síla na plochu, takže pokud se síla zvýší, ale box zůstane stejné velikosti, tlak se zvýšil.

Hustota vzduchu může s teplotou klesat, pokud tlak také klesá. Pokud je tlak konstantní, nemůže se to stát (byly by nepřímo úměrné). Kdykoli zadáte vztah mezi dvěma tlakovými, hustotními nebo teplotními podmínkami, musíte udržovat třetí konstantu nebo určit její chování.

Například stoupá horký vzduch, ale proč je potom studený hora. Odpověď je, že horký vzduch je pro konstantní tlak méně hustý než studený vzduch, který jej obklopuje, a protože je méně hustý, stoupá. S horou tlak klesá a v atmosféře také zjistíme, že teplota klesá s klesajícím tlakem.

V horkém dni se obvykle stává, že se povrch ohřívá sluncem ohřívá nejnižší úroveň atmosféry a snižuje její hustotu (je pod stejným tlakem jako její okolí a její T stoupá). To nakonec podpoří konvekci a smíchá tento teplejší vzduch svisle. Při dostatečném čase to sníží hmotnost ve sloupci vzduchu, a tím sníží tlak na povrchu. Tito se nazývají „teplotní minima“ a můžete je vidět formovat se v pouštních oblastech a hrají roli při formování mořského vánku a monzunů.

Řešení rozšířené otázky:

Bod v FAA je nejlépe pochopitelný zapomenutím, že letíme ve stálých výškách – ne. t. Při vodorovném letu letíme na plochách s konstantním tlakem, které pak převedeme do výšky. V kterémkoli daném sloupci atmosféry pokud je teplejší než standardní, bude daný tlakový povrch vyšší a pokud bude chladnější než standardní, bude tlakový povrch nižší.

Pro ilustraci zvažte, že letíte ve výšce 3000 ft nebo zhruba 900 MB. Všude na této tlakové ploše bude na našem výškoměru indikováno 3000 ft pro její aktuální nastavení. Pokud půjdeme někam do horka, tento tlak povrch stoupá, a tak stoupáme (i když si myslíme, že jsme vyrovnaní) s touto tlakovou plochou, ale protože se tlak nezměnil, stále indikujeme 3000 ft. Ve skutečnosti jsme však vyšší než 3000 ft.

Toto navazuje na vaši další otázku. Aneroidní destičky detekují změny tlaku a váš výškoměr zobrazuje nadmořskou výšku ne korigovanou na teplotu. Toto je proč se vaše skutečná nadmořská výška může lišit podle teploty pro konstantní udanou nadmořskou výšku. Když opravíte nadmořskou výšku podle teploty, nazýváme to „nadmořská výška hustoty“.

Takže zpět k mému výše uvedenému příkladu letíte kolem 900 mb a ukazuje 3000 ft a míří do teplejšího vzduchu. Tlakový povrch začne jemně stoupat a vy také nejste ale po tomto vzestupu bude váš výškoměr indikovat sestup. Při skutečném vodorovném letu začnete v tomto případě létat do vyššího tlaku, protože 900 mb povrch stoupá nad vámi a aneroidní destička ve vašem výškoměru bude indikovat nižší nadmořskou výšku a sestup. Opravíte to a stoupáte zpět na úroveň tlaku 900 mb, takže váš výškoměr bude znovu ukazovat 3 000 „, po celou dobu ve skutečnosti jemně stoupáte po této tlakové ploše. Během letu si toho opravdu nebudete vědomi a budete jen minimalizujte svislou rychlost a udržujte blaženou nadmořskou výšku, aniž byste věděli, že skutečně letíte na svažitém povrchu s konstantním tlakem.

Pro lepší ilustraci zvažte následující obrázek:

Na tomto obrázku červené znamenají teplejší než průměrný sloupec vzduchu a modré naopak chladnější než průměrný sloupec. Bělavá oblast uprostřed je sloupec o průměrných teplotách. Černé plné čáry jsou izobary (čáry konstantního tlaku). Přerušovaná černá čára představuje skutečnou nadmořskou výšku nad povrchem. Konečně je tučnou černou čarou úroveň tlaku, která odpovídá skutečné výšce přerušované čáry za podmínek ISA.

Co byste si měli všimnout, je, že úrovně tlaku v teplém sloupci jsou od sebe vzdáleny více, protože vzduch je méně hustý a je ho zapotřebí více k vytvoření stejného tlaku (protože tlak je pouze váha všeho vzduchu nad ním). Podobně v chladné koloně jsou úrovně tlaku rozmístěny blíže k sobě, protože vzduch je hustší než standard.

Chcete-li to spojit s výše uvedenými diskusemi, zvažte sebe ve standardním sloupci (bílé pozadí) ve skutečné nadmořské výšce představované přerušovanou čarou. Váš výškoměr necítí tuto skutečnou nadmořskou výšku, ale naopak snímá tlak mimo letadlo. To bude zhruba zkalibrováno na vaši skutečnou nadmořskou výšku (nekorigováno na teplotu), ale s použitím místního nastavení výškoměru. Nyní, když letíte doleva nebo doprava a udržujete konstantní zobrazenou nadmořskou výšku, budete sledovat tučnou čarou, protože to je tlak, který odpovídá vaší skutečné výšce při standardních teplotách. Jak letíte směrem k chladnějšímu sloupu, ve skutečnosti sestoupíte a budete stoupat, když letíte do teplejšího sloupu.

Komentáře

• Děkuji. Velmi zajímavé. Jedna poslední otázka: Ovlivňuje tlak výkon letadel (zvýšení teploty zvyšuje tlak)?
• Výkon letadla je výrazně ovlivněn tlakem vzduchu měřeným nadmořskou výškou. Čím vyšší je nadmořská výška hustoty (tím nižší tlak), tím menší výkon získáte. Může to udělat obrovský rozdíl, a proto byste měli vždy provádět výpočty výkonu jako součást svého předletu.
• Je důležité uvést, že když ‚ s horké, tlakové povrchy budou dále od sebe a když je ‚ s chladno, budou blíže k sobě . Protože tlak je způsoben hmotností vzduchu nahoře a stejnou hmotnost vyžaduje silnější vrstva méně hustého teplejšího vzduchu. Zákerným výsledkem je, že nastavíte výškoměr tak, aby odpovídal skutečné nadmořské výšce na úrovni země, ale vyšší se bude kvůli teplotě stále lišit.
• Oh, a nadmořská výška hustoty je hustota.
• Nyní jsem zmatený: Tlak se zvyšuje s teplotou. Výkon letadla je ovlivněn tlakem. Snížení výkonu letounu teplejší než standard. Jak může mít letadlo výkon greteru při nižším tlaku?

Je třeba pamatovat na velkou věc že $ Density = \ frac {Mass} {Volume} $. Nesouvisí s tlakem a tlak nesouvisí s hustotou.

Tlak obecně roste s teplotou pouze v plynu se stálým objemem. Je to proto, že do systému přidáváte více energie, což způsobuje, že se molekuly více opouštějí.Jednoduše řečeno, tvrději se odrážejí a vyvíjejí více energie na sebe a na stěny své nádoby. Říkáme tomu tlak.

Pokud by tam nebyl žádný kontejner, zvýšení teploty by způsobilo, že by molekuly odletěly. Nyní je na jednotku objemu méně molekul, takže hustota je nižší.

Nyní v letectví a meteorologii, když mluvíme o atmosférickém tlaku, je to trochu jiné a méně to souvisí s atmosférickou hustotou. Vysokotlaké a nízkotlaké systémy jsou více ovlivňovány relativním pohybem velkých vzduchových hmot nahoru a dolů než okamžitou místní teplotou, jako by to byl obsažený plyn.

Tlak, hustota a teplota souvisí (přibližně) prostřednictvím rovnice ideálního plynu. V obecné podobě je to

$$ PV = nRT $$

Kde $ P $ je tlak, $ V $ je objem, $ n $ je částka, $ T $ je teplota a $ R $ je ideální konstanta plynu. Pokud máte uzavřený kontejner naplněný vzduchem, objem ($ V $) a množství ($ n $) jsou stejné, takže tlak roste úměrně teplotě.

Zdarma atmosféra je však tlak určen hmotností vzduchu nahoře, a tedy většinou fixován , takže zahřátím vzduchu místo toho zvyšuje objem.

Abychom se dostali k hustotě, rozdělíme rovnici na objem a dostaneme se na:

$$ P = \ rho RT $$

Kde $ \ rho $ je hustota (a ruční vlna) přechod z množství na hmotnost, skrytí konverzního faktoru specifického pro plyn v plynové konstantě). Vnější tlak je konstantní, takže hustota ve skutečnosti klesá s nárůstem teploty.

Praktický účinek je takový, že jelikož výkon motoru závisí na množství vzduchu, může nasávat pevný objem. výkon válců je horší, když je teplejší.

Nyní zbývá vysvětlit, co řídí tlak otevřeného vzduchu. Tlak v daném bodě je způsoben hmotností vzduchu nad ním. Protože z výše uvedeného při konstantní teplotě je hustota úměrná tlaku, plná rovnice je diferenciální.

$$ \ Delta P \ sim \ rho \ Delta h $$

Ve slovech změna tlaku se rovná rozdílu výšky a hustoty.

Tlak na úrovni země je ovlivňován povětrnostními systémy složitými způsoby. Ale protože chladnější vzduch je hustší, znamená to, že když je chladný, tlak bude s nadmořskou výškou klesat rychleji, než když je horko. Nyní výškoměr skutečně měří tlak a má pouze úpravu pro tlak na hladinu moře, ale ne pro teploty ture. Když tedy nastavíte svůj výškoměr na zem a stoupáte na 1 000 stop, budete „více než 1 000 stop nad zemí, když je horko, protože tlak pomalu klesá a méně než 1 000 stop nad zemí, když je zima . Některé postupy mají dokonce minimální teplotu .