¿Cómo se relaciona la presión con la densidad del aire?

El atmósfera se aproxima a un gas ideal y, como tal, puede relacionar la presión y la densidad mediante la ecuación del gas ideal. La forma que usamos en meteorología usa densidad de masa y está dada por:

$$ p = {\ rho} RT $$

donde $ P $ es la presión en unidades de Pa, $ \ rho $ es la densidad en unidades de kg m-3, $ R $ es la constante de gas para el aire seco (287 J kg-1 K-1) y $ T $ es la temperatura en Kelvin. Esto supone que una atmósfera seca y la humedad disminuirán la densidad para una presión determinada. La consideración del vapor de agua generalmente se lleva a cabo cambiando la temperatura a temperatura virtual $ T_V $ donde $ T_V = T (1 + 0.61q) $ y $ q $ es la proporción de mezcla de vapor de agua (unidades $ kg ~ kg ^ {- 1 PS

La presión aumenta con la temperatura porque las partículas tienen más energía cinética (que es proporcional a $ T $). Imagínese una caja llena de bolas que rebotan, si estas bolas comienzan a moverse más rápido, las bolas golpearán las paredes de la caja con más fuerza, impartiendo más fuerza sobre la caja. La presión es simplemente fuerza por área, por lo que si la fuerza aumenta pero la caja permanece del mismo tamaño, la presión ha aumentado.

La densidad del aire puede disminuir con la temperatura si la presión también disminuye. Si la presión es constante, esto no puede suceder (estarían inversamente relacionados). Cada vez que especifique una relación entre dos cualquiera de presión, densidad o temperatura, debe mantener la tercera constante o especificar su comportamiento.

Por ejemplo, el aire caliente sube, pero ¿por qué entonces hace frío encima de un montaña. La respuesta es que el aire caliente es menos denso que el aire frío que lo rodea por una presión constante, y al ser menos denso se eleva. Con una montaña, la presión está disminuyendo, y también encontramos en la atmósfera que la temperatura disminuye al disminuir la presión.

En un día caluroso lo que suele suceder es que la superficie, que se está calentando por el sol, calienta el nivel más bajo de la atmósfera, reduciendo su densidad (está a la misma presión que su entorno y su T aumenta). Esto eventualmente impulsará la convección y mezclará este aire más caliente verticalmente. Con el tiempo suficiente, esto reducirá la masa en la columna de aire y, por lo tanto, reducirá la presión en la superficie. Estos se denominan «mínimos de calor» y puede verlos formarse en las áreas desérticas y desempeñan un papel en la formación de la brisa marina y los monzones.

Para abordar la pregunta ampliada:

El punto en la FAA escrito se comprende mejor si olvidamos que volamos a altitudes constantes, no es así. En vuelo nivelado, volamos sobre superficies de presión constante que luego traducimos a una altitud. En cualquier columna de atmósfera dada, si está más caliente que el estándar, una determinada superficie de presión será mayor y cuando esté más fría que el estándar, la superficie de presión será menor.

Para ilustrarlo, consideremos que está volando a 3000 pies o aproximadamente 900 mb. En todas partes de esta superficie de presión indicará 3000 pies en nuestro altímetro para su ajuste actual. Si vamos a algún lugar caliente, esta presión La superficie sube, y por eso escalamos (aunque pensamos que estamos nivelados) con esta superficie de presión, pero debido a que la presión no ha cambiado, seguimos indicando 3000 pies. Sin embargo, en realidad estamos a más de 3000 pies.

Esto sigue a tu siguiente pregunta. Las obleas aneroides detectan cambios de presión y tu altímetro muestra una altitud no corregida por temperatura. Esto es por qué tu altitud real puede variar con la temperatura para una altitud constante indicada. Cuando corriges la altitud por temperatura, lo llamamos «altitud de densidad».

Así que, volviendo a mi ejemplo anterior, estás volando a 900 mb e indica 3000 pies, y se dirige hacia un aire más cálido. La superficie de presión comienza a subir suavemente y, como lo hace, no está sin embargo, seguir ese ascenso y su altímetro indicarán un descenso. En vuelo nivelado real, comenzará a volar a una presión más alta en este caso, ya que la superficie de 900 mb se eleva por encima de usted y la oblea aneroide en su altímetro indicará una altitud más baja y un descenso. Usted corrige esto y vuelve a subir hasta el nivel de presión de 900 mb para que su altímetro indique una vez más 3000 «, mientras trepa suavemente sobre esta superficie de presión. Sin embargo, no se dará cuenta de esto mientras vuela, y lo hará simplemente minimice la velocidad vertical y mantenga la altitud felizmente sin saber que realmente está volando sobre una superficie inclinada de presión constante.

Para ilustrar mejor esto, considere la siguiente figura:

En esta figura, los rojos significan una columna de aire más cálida que la media y los azules una columna más fría que la media. El área blanquecina del medio es una columna a temperaturas medias. Las líneas negras continuas son isobaras (líneas de presión constante). La línea negra discontinua es una verdadera altitud sobre la superficie. Finalmente, la línea negra en negrita es el nivel de presión que corresponde a la altitud real de la línea punteada en condiciones ISA.

Lo que debe notar es que los niveles de presión en la columna cálida están más espaciados porque el el aire es menos denso y se necesita más para producir la misma presión (ya que la presión es solo el peso de todo el aire que está encima). Asimismo, en la columna fría, los niveles de presión están más cerca entre sí porque el aire es más denso que el estándar.

Para vincular esto con las discusiones anteriores, considérese en la columna estándar (fondo blanco) a la altitud real sobre el suelo representada por la línea discontinua. Su altímetro no detecta esta altitud real, sino que detecta la presión fuera del avión. Esto se calibrará aproximadamente a su altitud real (sin corregir para la temperatura) pero utilizando el ajuste del altímetro local. Ahora, mientras vuela hacia la izquierda o hacia la derecha y mantiene una altitud indicada constante, seguirá la línea en negrita, ya que esta es la presión que corresponde a su altitud real a temperaturas estándar. A medida que vuele hacia una columna más fría, en realidad descenderá y ascenderá a medida que vuela hacia la columna más cálida.

Comentarios

• Gracias. Muy interesante. Una última pregunta: ¿La presión afecta el rendimiento de los aviones (la temperatura aumenta la presión aumenta)?
• El rendimiento de los aviones se ve muy afectado por la presión del aire, medida por la densidad de altitud. Cuanto mayor sea la altitud de densidad (menor es la presión), menor rendimiento obtendrá. Puede marcar una gran diferencia, por lo que siempre debe hacer sus cálculos de rendimiento como parte de su vuelo previo.
• Es importante indicar que cuando ‘ s caliente, las superficies de presión estarán más separadas y cuando ‘ esté frío, estarán más juntas . Porque la presión es causada por el peso del aire de arriba y se necesita una capa más gruesa de aire menos denso y cálido para tener el mismo peso. El resultado insidioso es que configura el altímetro para que coincida con la altitud real a nivel del suelo, pero más alta aún será diferente debido a la temperatura.
• Oh, y la altitud de densidad es una densidad.
• Ahora estoy confundido: La presión aumenta con la temperatura. El rendimiento de la aeronave se ve afectado por la presión. El rendimiento de la aeronave disminuye en temperaturas más cálidas que las estándar. ¿Cómo puede una aeronave tener un mejor rendimiento con una presión más baja?

Algo importante para recordar es que $ Densidad = \ frac {Masa} {Volumen} $. No está relacionada con la presión y la presión no está relacionada con la densidad.

La presión generalmente aumenta con la temperatura solo en un gas con un volumen constante. Esto se debe a que está agregando más energía al sistema, lo que hace que las moléculas se exciten más.En pocas palabras, rebotan más fuerte y ejercen más energía entre sí y en las paredes de su contenedor. A eso lo llamamos presión.

Si no hubiera un recipiente, un aumento de temperatura haría que las moléculas se separaran. Ahora hay menos moléculas por unidad de volumen, por lo que la densidad es menor.

Ahora, en aviación y meteorología, cuando hablamos de presión atmosférica, es un poco diferente y está menos relacionado con la densidad atmosférica. Los sistemas de alta y baja presión se ven más afectados por el movimiento relativo hacia arriba y hacia abajo de grandes masas de aire que por la temperatura local inmediata, como lo sería un gas contenido.