Hvordan er trykk relatert til lufttetthet?

The atmosfære tilnærmer en ideell gass, og som sådan kan du relatere trykk og tetthet gjennom den ideelle gassligningen. Formen vi bruker i meteorologi bruker massetetthet og er gitt av:

$$ p = {\ rho} RT $$

der $ P $ er trykk i enheter av Pa, $ \ rho $ er tetthet i enheter på kg m-3, $ R $ er gasskonstanten for tørr luft (287 J kg-1 K-1) og $ T $ er temperaturen i Kelvin. Dette forutsetter en tørr atmosfære og fuktighet vil redusere tettheten for et gitt trykk. Hensynet til vanndamp bringes vanligvis inn ved å endre temperatur til virtuell temperatur $ T_V $ hvor $ T_V = T (1 + 0.61q) $ og $ q $ er blandingsforholdet mellom vanndamp (enheter $ kg ~ kg ^ {- 1 } $).

Trykk øker med temperaturen fordi partiklene har mer kinetisk energi (som er proporsjonal med $ T $). Tenk deg en boks full av sprettkuler. Hvis disse ballene begynner å bevege seg raskere, vil kulene treffe boksens vegger hardere og gi mer kraft på kassen. Trykk er bare kraft per område, så hvis kraften øker, men boksen holder seg i samme størrelse, har trykket økt.

Lufttettheten kan reduseres med temperaturen hvis trykket også synker. Hvis trykket er konstant, kan dette ikke skje (de ville være omvendt). Hver gang du spesifiserer et forhold mellom to trykk, tetthet eller temperatur, må du holde den tredje konstanten eller spesifisere dens oppførsel.

For eksempel stiger varm luft, men hvorfor er det kaldt på toppen av en fjell. Svaret er at varm luft er mindre tett enn den kalde luften som omgir den for et konstant trykk, og når den er mindre tett stiger den. Med et fjell synker trykket, og vi finner også i atmosfæren at temperaturen synker med synkende trykk.

På en varm dag har det en tendens til å skje at overflaten, som varmes opp av solen, varmer opp det laveste nivået av atmosfæren, reduserer dens tetthet (den har samme trykk som omgivelsene og T stiger). Dette vil til slutt føre til konveksjon og blande denne varmere luften vertikalt. Gitt nok tid, vil dette redusere massen i luftkolonnen og derfor redusere trykket på overflaten. Disse kalles «varme nedturer», og du kan se dem danne seg i ørkenområdene, og de spiller roller i havbrisformasjon og monsunene.

For å løse det utvidede spørsmålet:

Poenget i FAA som er skrevet, forstås best ved å glemme at vi flyr i konstante høyder – vi don t. I nivåflyging flyr vi på konstante trykkflater som vi deretter oversetter til en høyde. I en gitt kolonne av atmosfære, hvis det er varmere enn standard, vil en gitt trykkflate være høyere, og når kaldere enn standard, vil trykkflaten være lavere.

For å illustrere, la oss vurdere at du flyr på 3000 ft eller omtrent 900 mb. Overalt på denne trykkoverflaten vil det indikere 3000 ft på høydemåler for den nåværende innstillingen. Hvis vi går et sted varmt, er dette trykket overflaten stiger, og slik at vi klatrer (selv om vi tror vi er i vater) med denne trykkoverflaten, men fordi trykket ikke har endret seg, indikerer vi fremdeles 3000 fot. Imidlertid er vi i virkeligheten høyere enn 3000 fot.

Dette følger med på ditt neste spørsmål. Aneroidplater oppdager trykkendringer og høydemåler viser en høyde ikke korrigert for temperatur. Dette er hvorfor den sanne høyden din kan variere med temperaturen for en konstant angitt høyde. Når du korrigerer høyden for temperaturen, kaller vi dette «tetthetshøyde».

Så tilbake til eksemplet mitt ovenfor, du flyr med på 900 mb og angir 3000 fot, og går inn i varmere luft. Trykkoverflaten begynner å stige forsiktig, og som den gjør er du ikke men etter den økningen og høydemåleren din vil indikere en nedstigning. I ekte flytur vil du begynne å fly inn i høyere trykk i dette tilfellet når 900 mb overflaten stiger over deg og aneroid wafer i høydemåler vil indikere en lavere høyde og en nedstigning. Du korrigerer dette og klatrer opp igjen til 900 mb trykknivå slik at høydemålerne igjen vil indikere 3000 «, mens du faktisk klatrer forsiktig på denne trykkflaten. Du vil ikke være klar over dette mens du flyr, og vil bare minimer vertikal hastighet og oppretthold høyde salig uvitende om at du virkelig flyr på en skrånende konstant trykkflate.

For å bedre illustrere dette, bør du vurdere følgende figur:

I denne figuren betegner de røde en varmere kolonne enn gjennomsnittet av luften og den blå en kaldere enn gjennomsnittlig kolonne. Det hvite området i midten er en kolonne ved gjennomsnittstemperaturer. De svarte solide linjene er isobarer (linjer med konstant trykk). Den stiplede svarte linjen er en sann høyde over overflaten. Til slutt er den dristige svarte linjen trykknivået som tilsvarer den sanne høyden til den stiplede linjen ved ISA-forhold.

Det du bør legge merke til er at trykknivåene i den varme kolonnen er plassert lenger fra hverandre fordi luft er mindre tett, og mer av det er nødvendig for å produsere det samme trykket (ettersom trykket bare er vekten av all luften over det). I den kule kolonnen er trykknivåene også plassert nærmere hverandre fordi luften er tettere enn standard.

For å knytte dette til diskusjonene ovenfor, kan du betrakte deg selv i standardkolonnen (hvit bakgrunn) i den sanne høyden over bakken, representert av den stiplede linjen. Høydemåleren registrerer ikke denne sanne høyden, men registrerer i stedet trykket utenfor flyet. Dette blir omtrent kalibrert til din sanne høyde (ikke korrigert for temperatur), men med den lokale høydemålerinnstillingen. Når du flyr enten til venstre eller til høyre og holder en konstant angitt høyde, vil du spore langs den dristige linjen, da dette er trykket som tilsvarer den sanne høyden din ved vanlige temperaturer. Når du flyr mot en kaldere kolonne, vil du i virkeligheten stige ned, og du vil klatre når du flyr inn i den varmere kolonnen.

Kommentarer

• Takk. Veldig interessant. Et siste spørsmål: Påvirker trykket flyytelsen (temp øker trykket øker)?
• Flyytelsen påvirkes sterkt av lufttrykket, målt ved tetthetshøyde. Jo høyere tetthetshøyde (jo lavere trykk) jo mindre ytelse får du. Det kan utgjøre en enorm forskjell. Derfor bør du alltid gjøre ytelsesberegningene dine som en del av førflyvningen din.
• Det er viktig å si at når det ‘ s varme, vil trykkflatene være lenger fra hverandre og når det ‘ er kaldt, vil de være nærmere hverandre . Fordi trykket er forårsaket av vekten av luften over, og det tar tykkere lag med mindre tett varmere luft å ha samme vekt. Det snikende utfallet er at du stiller høydemåleren til å matche sann høyde på bakkenivå, men høyere vil den fortsatt variere på grunn av temperaturen.
• Åh, og tetthetshøyde er en tetthet.
• Nå er jeg forvirret: Trykk øker med temp. Luftfartens ytelse påvirkes av trykk. Flyytelsen reduseres varmere enn standard. Hvordan kan et fly oppnå bedre ytelse med lavere trykk?

En stor ting å huske er at $ Density = \ frac {Mass} {Volume} $. Det er ikke relatert til trykk, og trykket er ikke relatert til tettheten.

Trykket øker generelt bare med temperaturen i en gass med et konstant volum. Dette er fordi du tilfører mer energi til systemet, noe som får molekylene til å bli mer spente.For å si det enkelt, spretter de hardere rundt og bruker mer energi på hverandre og veggene i beholderen. Vi kaller det trykk.

Hvis det ikke var noen beholder, vil en økning i temperatur føre til at molekylene flyr fra hverandre. Nå er det færre molekyler per volumenhet, så tettheten er lavere.

Nå i luftfart og meteorologi når vi snakker om atmosfæretrykk, det er litt annerledes, og er mindre relatert til atmosfæretettheten. Høyt- og lavtrykkssystemer blir mer påvirket av relativ oppadgående og nedadgående bevegelse av store luftmasser enn av umiddelbar lokal temperatur, slik en innesluttet gass ville være.