Hvordan er tryk relateret til lufttæthed?

atmosfære tilnærmer en ideel gas, og som sådan kan du relatere tryk og tæthed gennem den ideelle gasligning. Den form, vi bruger i meteorologi, bruger massetæthed og er givet ved:

$$ p = {\ rho} RT $$

hvor $ P $ er tryk i enheder af Pa, $ \ rho $ er densitet i enheder på kg m-3, $ R $ er gaskonstanten for tør luft (287 J kg-1 K-1) og $ T $ er temperaturen i Kelvin. Dette forudsætter en tør atmosfære, og fugtighed nedsætter tætheden for et givet tryk. Overvejelse for vanddamp bringes normalt ind ved at ændre temperaturen til virtuel temperatur $ T_V $ hvor $ T_V = T (1 + 0.61q) $ og $ q $ er blandingsforholdet mellem vanddamp (enheder $ kg ~ kg ^ {- 1 } $).

Trykket stiger med temperaturen, fordi partiklerne har mere kinetisk energi (som er proportional med $ T $). Forestil dig en kasse fuld af hoppende kugler, hvis disse kugler begynder at bevæge sig hurtigere, rammer kuglerne hårdere på kasseens vægge og giver mere kraft på kassen. Trykket er kun kraft pr. Område, så hvis kraften øges, men boksen forbliver den samme størrelse, er trykket steget.

Lufttæthed kan falde med temperaturen, hvis trykket også falder. Hvis trykket er konstant, kan dette ikke ske (de ville være omvendt beslægtede). Hver gang du angiver et forhold mellem to tryk, densitet eller temperatur, skal du holde den tredje konstant eller angive dens opførsel.

For eksempel stiger varm luft, men hvorfor er det koldt oven på en bjerg. Svaret er, at varm luft er mindre tæt end den kolde luft, der omgiver den for et konstant tryk, og når den er mindre tæt, stiger den. Med et bjerg er trykket faldende, og vi finder ligeledes i atmosfæren, at temperaturen falder med faldende tryk.

På en varm dag er det en tendens til, at overfladen, der opvarmes af solen, opvarmer det laveste niveau af atmosfæren og reducerer dens densitet (den har samme tryk som omgivelserne og dens T stiger). Dette vil til sidst føre til konvektion og blande denne varmere luft lodret. Med tilstrækkelig tid reducerer dette massen i luftens søjle og reducerer derfor trykket på overfladen. Disse kaldes “varme nedture”, og du kan se dem danne sig i ørkenområderne, og de spiller roller i havbrise dannelse og monsuner.

For at løse det udvidede spørgsmål:

Det punkt, der er skrevet i FAA, forstås bedst ved at glemme, at vi flyver i konstante højder – vi don t. I niveauflyvning flyver vi på konstante trykflader, som vi derefter oversætter til en højde. I en hvilken som helst given kolonne af atmosfære, hvis det er varmere end standard, vil en given trykoverflade være højere, og når koldere end standard, vil overfladen være lavere.

For at illustrere, lad os overveje, at du flyver ved 3000 ft eller cirka 900 mb. Overalt på denne trykoverflade angiver 3000 ft på vores højdemåler for den aktuelle indstilling. Hvis vi går et sted varmt, er dette tryk overfladen stiger, og så vi klatrer (selvom vi tror, at vi er i niveau) med denne trykoverflade, men fordi trykket ikke er ændret, indikerer vi stadig 3000 ft. Imidlertid er vi i virkeligheden højere end 3000 ft.

Dette følger dit næste spørgsmål. Aneroide wafere registrerer trykændringer, og din højdemåler viser en højde ikke korrigeret for temperatur. Dette er hvorfor din sande højde kan variere med temperaturen for en konstant angivet højde. Når du korrigerer højden for temperatur, kalder vi dette “tæthedshøjde”.

Så tilbage til mit eksempel ovenfor flyver du med på 900 mb og angiver 3000 ft og på vej ind i varmere luft. Trykoverfladen begynder forsigtigt at stige, og som det gør er du ikke alligevel efter den stigning og din højdemåler vil indikere en nedstigning. I ægte niveauflyvning begynder du at flyve ind i højere tryk i dette tilfælde, da 900 mb overfladen stiger over dig, og aneroid waferen i dit højdemåler vil indikere en lavere højde og en nedstigning. Du korrigerer dette og klatrer tilbage op til 900 mb trykniveau, så din højdemåler igen vil indikere 3000 “, alt imens du faktisk klatrer forsigtigt på denne trykoverflade. Du vil ikke virkelig være opmærksom på dette, mens du flyver, og vil minimer bare lodret hastighed og hold højden saligt uvidende om, at du virkelig flyver på en skrånende konstant trykflade.

For bedre at illustrere dette skal du overveje følgende figur:

I denne figur betegner de røde en varmere luftkolonne end gennemsnittet og bluesen en køligere kolonne end gennemsnittet. Det hvidlige område i midten er en søjle ved gennemsnitstemperaturer. De sorte faste linjer er isobarer (linjer med konstant tryk). Den stiplede sorte linje er en sand højde over overfladen. Endelig er den dristige sorte linje det trykniveau, der svarer til den stiplede linjes sande højde ved ISA-forhold.

Hvad du skal bemærke er, at trykniveauerne i den varme søjle er anbragt længere fra hinanden, fordi luft er mindre tæt, og mere af det er nødvendigt for at producere det samme tryk (da tryk er bare vægten af al luft over det). Ligeledes i den kolde kolonne er trykniveauerne placeret tættere på hinanden, fordi luften er tættere end standard.

For at binde dette til diskussionerne ovenfor skal du overveje dig selv i standardkolonnen (hvid baggrund) i den sande højde over jorden repræsenteret af den stiplede linje. Din højdemåler registrerer ikke denne sande højde, men registrerer i stedet trykket uden for flyet. Dette kalibreres groft til din sande højde (ikke korrigeret for temperatur), men ved hjælp af den lokale højdemålerindstilling. Når du nu flyver enten til venstre eller til højre og opretholde en konstant angivet højde, vil du spore langs den dristige linje, da dette er det tryk, der svarer til din sande højde ved standardtempererer. Når du flyver mod en koldere søjle, vil du i virkeligheden stige ned, og du vil klatre, når du flyver ind i den varmere søjle.

Kommentarer

• Tak. Meget interessant. Et sidste spørgsmål: Påvirker trykket flyets ydeevne (temp øger trykket stiger)?
• Flyets ydeevne påvirkes i høj grad af lufttrykket målt ved densitetshøjde. Jo højere densitetshøjde (jo lavere tryk) jo mindre ydeevne får du. Det kan gøre en enorm forskel, hvorfor du altid skal udføre dine præstationsberegninger som en del af din før flyvning.
• Det er vigtigt at anføre, at når det ‘ s varme, vil trykfladerne være længere fra hinanden , og når det ‘ er koldt, vil de være tættere på hinanden . Fordi trykket skyldes luftens vægt over, og det tager tykkere lag med mindre tæt varmere luft at have den samme vægt. Det snigende resultat er, at du indstiller højdemåler til at matche den sande højde på jordoverfladen, men højere vil den stadig variere på grund af temperaturen.
• Åh, og densitetshøjde er en tæthed.
• Nu er jeg forvirret: Trykket øges med temp. Flyets ydeevne påvirkes af tryk. Flyets ydeevne falder varmere end standard. Hvordan kan et fly have en bedre præstation med et lavere tryk?

En stor ting at huske er at $ Density = \ frac {Mass} {Volume} $. Det er ikke relateret til tryk, og trykket er ikke relateret til densiteten.

Trykket stiger generelt kun med temperaturen i en gas med et konstant volumen. Dette skyldes, at du tilføjer mere energi til systemet, hvilket får molekylerne til at blive mere spændte.For at gøre det enkelt hopper de hårdere rundt og udøver mere energi på hinanden og væggene i deres container. Vi kalder det tryk.

Hvis der ikke var nogen beholder, ville en stigning i temperatur få molekylerne til at flyve fra hinanden. Nu er der færre molekyler pr. Volumenhed, så tætheden er lavere.

Nu inden for luftfart og meteorologi, når vi taler om atmosfærisk tryk, er det lidt anderledes og er mindre relateret til atmosfærisk tæthed. Høj- og lavtrykssystemer påvirkes mere af relativ opad- og nedadgående bevægelse af enorme luftmasser end af øjeblikkelig lokal temperatur, som en indeholdt gas ville være.