Como a pressão está relacionada à densidade do ar?

O atmosfera se aproxima de um gás ideal e, como tal, você pode relacionar pressão e densidade por meio da equação do gás ideal. A forma que usamos em meteorologia usa densidade de massa e é dada por:

$$ p = {\ rho} RT $$

onde $ P $ é a pressão em unidades de Pa, $ \ rho $ é a densidade em unidades de kg m-3, $ R $ é a constante de gás para ar seco (287 J kg-1 K-1) e $ T $ é a temperatura em Kelvin. Isso pressupõe que uma atmosfera seca e a umidade diminuirão a densidade para uma determinada pressão. A consideração para o vapor de água é geralmente feita mudando a temperatura para a temperatura virtual $ T_V $ onde $ T_V = T (1 + 0,61q) $ e $ q $ é a proporção de mistura de vapor dágua (unidades $ kg ~ kg ^ {- 1 } $).

A pressão aumenta com a temperatura porque as partículas têm mais energia cinética (que é proporcional a $ T $). Imagine uma caixa cheia de bolas quicando, se essas bolas começarem a se mover mais rápido, as bolas irão atingir as paredes da caixa com mais força, dando mais força à caixa. A pressão é apenas força por área, portanto, se a força aumentar, mas a caixa permanecer do mesmo tamanho, a pressão aumentou.

A densidade do ar pode diminuir com a temperatura se a pressão também diminuir. Se a pressão for constante, isso não pode acontecer (eles estariam inversamente relacionados). Sempre que você especificar uma relação entre quaisquer dois de pressão, densidade ou temperatura, você deve manter a terceira constante ou especificar seu comportamento.

Por exemplo, o ar quente sobe, mas por que então é frio em cima de um montanha. A resposta é que o ar quente é menos denso do que o ar frio ao seu redor devido a uma pressão constante e, sendo menos denso, ele aumenta. Com uma montanha, a pressão está diminuindo, e da mesma forma encontramos na atmosfera que a temperatura diminui com a diminuição da pressão.

Em um dia quente o que tende a acontecer é que a superfície, que está sendo aquecida pelo sol, aquece o nível mais baixo da atmosfera, reduzindo sua densidade (está na mesma pressão de seu entorno e seu T sobe). Isso acabará por conduzir a convecção e misturar este ar mais quente verticalmente. Com tempo suficiente, isso reduzirá a massa na coluna de ar e, portanto, reduzirá a pressão na superfície. Eles são chamados de “baixas de calor” e você pode vê-los se formando nas áreas desérticas e desempenham um papel na formação da brisa do mar e nas monções.

Para abordar a questão expandida:

O ponto no FAA escrito é melhor compreendido esquecendo-se de que voamos em altitudes constantes – não o fazemos. Em vôo nivelado, voamos em superfícies de pressão constante, que então traduzimos para uma altitude. Em qualquer coluna de atmosfera, se estiver mais quente do que o padrão, uma determinada superfície de pressão será mais alta e, quando mais fria do que o padrão, a superfície de pressão será mais baixa.

Para ilustrar, vamos considerar que você está voando a 3000 pés ou cerca de 900 mb. Em todos os lugares nesta superfície de pressão indicará 3000 pés em nosso altímetro para sua configuração atual. Se formos a algum lugar quente, essa pressão a superfície sobe, e então nós escalamos (embora pensemos que estamos nivelados) com esta superfície de pressão, mas como a pressão não mudou, ainda indicamos 3000 pés. No entanto, estamos acima de 3000 pés na realidade.

Isso segue para sua próxima pergunta. Os wafers aneróides detectam mudanças de pressão e seu altímetro exibe uma altitude não corrigida para a temperatura. por que sua altitude real pode variar com a temperatura para uma altitude indicada constante. Quando você corrige a altitude para a temperatura, chamamos isso de “altitude de densidade”.

Então, de volta ao meu exemplo acima, você está voando a 900 MB e indicando 3000 pés, e dirigindo-se para um ar mais quente. A superfície de pressão começa a subir suavemente e, conforme isso acontece, você não no entanto, seguindo essa subida e seu altímetro indicará uma descida. Em vôo nivelado verdadeiro, você começará a voar em pressão mais alta, neste caso, à medida que a superfície de 900 MB se eleva acima de você e a bolacha aneróide em seu altímetro indicará uma altitude inferior e uma descida. Você corrige isso e sobe de volta para o nível de pressão de 900 mb para que seu altímetro indique mais uma vez 3000 “, enquanto na verdade subindo suavemente nesta superfície de pressão. Você não terá realmente consciência disso enquanto voa, no entanto, e irá apenas minimize a velocidade vertical e mantenha a altitude sem saber que você está realmente voando em uma superfície inclinada de pressão constante.

Para ilustrar melhor, considere a seguinte figura:

Nesta figura, os vermelhos significam uma coluna de ar mais quente que a média e os azuis uma coluna mais fria do que a média. A área esbranquiçada no meio é uma coluna com temperaturas médias. As linhas sólidas pretas são isobares (linhas de pressão constante). A linha preta tracejada é uma altitude real acima da superfície. Finalmente, a linha preta em negrito é o nível de pressão que corresponde à altitude real da linha tracejada nas condições ISA.

O que você deve notar é que os níveis de pressão na coluna quente estão mais espaçados porque o o ar é menos denso e mais dele é necessário para produzir a mesma pressão (já que a pressão é apenas o peso de todo o ar acima dela). Da mesma forma, na coluna fria, os níveis de pressão estão mais próximos uns dos outros porque o ar é mais denso que o padrão.

Para vincular isso às discussões acima, considere-se na coluna padrão (fundo branco) na altitude real acima do solo representada pela linha tracejada. Seu altímetro não detecta essa altitude real, mas, em vez disso, detecta a pressão fora do avião. Isso será aproximadamente calibrado para sua altitude real (sem correção de temperatura), mas usando a configuração do altímetro local. Agora, conforme você voa para a esquerda ou para a direita e mantém uma altitude indicada constante, você rastreará ao longo da linha em negrito, pois esta é a pressão que corresponde à sua altitude real em temps padrão. À medida que você voa em direção a uma coluna mais fria, você na realidade desce e escala enquanto voa para a coluna mais quente.

Comentários

• Obrigado. Muito interessante. Uma última pergunta: a pressão afeta o desempenho dos aviões (aumento da temperatura aumenta a pressão)?
• O desempenho da aeronave é muito afetado pela pressão do ar, medida pela altitude densidade. Quanto maior for a altitude de densidade (quanto menor a pressão), menor será o desempenho. Pode fazer uma enorme diferença, por isso você deve sempre fazer seus cálculos de desempenho como parte do seu pré-voo.
• É importante afirmar que quando ‘ s quente, as superfícies de pressão estarão mais afastadas e quando ‘ estiver frio, elas estarão mais próximas . Porque a pressão é causada pelo peso do ar acima e é necessária uma camada mais espessa de ar quente menos denso para ter o mesmo peso. O resultado insidioso é que você configura o altímetro para corresponder à altitude real ao nível do solo, mas mais alto ainda será diferente devido à temperatura.
• Ah, e a altitude densidade é uma densidade.
• Agora estou confuso: A pressão aumenta com a temperatura O desempenho da aeronave é afetado pela pressão. O desempenho da aeronave diminui em temperaturas mais altas que o padrão. Como uma aeronave pode ter um melhor desempenho com uma pressão mais baixa?

Uma grande coisa a lembrar é que $ Densidade = \ frac {Massa} {Volume} $. Ela não está relacionada à pressão e a pressão não está relacionada à densidade.

A pressão geralmente aumenta com a temperatura apenas em um gás com volume constante. Isso ocorre porque você está adicionando mais energia ao sistema, fazendo com que as moléculas se tornem mais ativas.Para simplificar, eles saltam com mais força e exercem mais energia uns nos outros e nas paredes de seu contêiner. Chamamos isso de pressão.

Se não houvesse um recipiente, um aumento na temperatura faria com que as moléculas se separassem. Agora há menos moléculas por unidade de volume, então a densidade é menor.

Agora, na aviação e na meteorologia, quando falamos sobre pressão atmosférica, isso é um pouco diferente e está menos relacionado à densidade atmosférica. Os sistemas de alta e baixa pressão são mais afetados pelo movimento relativo para cima e para baixo de enormes massas de ar do que pela temperatura local imediata, como seria um gás contido.

Pressão, densidade e temperatura estão relacionadas (aproximadamente) através da equação do gás ideal. Na forma geral, é

$$ PV = nRT $$

Onde $ P $ é a pressão, $ V $ é o volume, $ n $ é a quantidade, $ T $ é temperatura e $ R $ é a constante de gás ideal. Se você tiver um recipiente fechado cheio de ar, o volume ($ V $) e a quantidade ($ n $) são os mesmos, então a pressão aumenta proporcionalmente à temperatura.

De graça atmosfera, no entanto, a pressão é determinada pelo peso do ar acima e, portanto, principalmente fixa , portanto, ao aquecer o ar, aumenta o volume.

Para chegar à densidade, dividimos a equação por volume e chegamos a:

$$ P = \ rho RT $$

Onde $ \ rho $ é a densidade (e onda manual a mudança de quantidade para massa, ocultando o fator de conversão específico do gás na constante do gás). A pressão externa é constante, então a densidade realmente diminui conforme a temperatura aumenta.

O efeito prático disso é que, uma vez que a potência do motor depende da quantidade de ar, ele pode aspirar no volume fixo do desempenho dos cilindros é pior quando está mais quente.

Agora, falta ser explicado o que governa a pressão do ar aberto. A pressão em qualquer ponto é causada pelo peso do ar acima dele. Porque do exposto acima em temperatura constante, a densidade é proporcional à pressão, a equação completa é diferencial.

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

Em palavras, o a mudança de pressão é igual à diferença na altura vezes a densidade.

A pressão no nível do solo é afetada pelos sistemas climáticos de maneiras complexas. Mas, como o ar mais frio é mais denso, isso significa que quando está frio a pressão diminuirá mais rápido com a altitude do que quando está calor. Agora o altímetro realmente mede a pressão e só tem ajuste para pressão ao nível do mar, mas não para temperatura ture. Portanto, quando você posiciona seu altímetro no solo e sobe 300 metros, estará mais de 300 metros acima do solo quando está quente porque a pressão diminui lentamente e menos de 300 metros acima do solo quando está frio . Alguns procedimentos até têm temperatura mínima por causa disso.