Cum este legată presiunea de densitatea aerului?

atmosfera aproximează un gaz ideal și, ca atare, puteți raporta presiunea și densitatea prin ecuația gazului ideal. Forma pe care o folosim în meteorologie folosește densitatea masei și este dată de:

$$ p = {\ rho} RT $$

unde $ P $ este presiunea în unități de Pa, $ \ rho $ este densitatea în unități de kg m-3, $ R $ este constanta gazului pentru aerul uscat (287 J kg-1 K-1) și $ T $ este temperatura în Kelvin. Aceasta presupune o atmosferă uscată și umiditatea va scădea densitatea pentru o presiune dată. Considerația pentru vaporii de apă este adusă de obicei prin schimbarea temperaturii în temperatura virtuală $ T_V $ unde $ T_V = T (1 + 0.61q) $ și $ q $ este raportul de amestecare al vaporilor de apă (unități $ kg ~ kg ^ {- 1 } $).

Presiunea crește odată cu temperatura, deoarece particulele au mai multă energie cinetică (care este proporțională cu $ T $). Imaginați-vă o cutie plină de bile care sări, dacă aceste bile încep să se miște mai repede, bilele vor lovi mai puternic pereții cutiei, conferind mai multă forță cutiei. Presiunea este doar forță pe zonă, deci dacă forța crește, dar cutia rămâne aceeași dimensiune, presiunea a crescut.

Densitatea aerului poate scădea odată cu temperatura dacă și presiunea scade. Dacă presiunea este constantă, acest lucru nu se poate întâmpla (acestea ar fi invers legate). De fiecare dată când specificați o relație între oricare două dintre presiune, densitate sau temperatură, trebuie să țineți a treia constantă sau să specificați comportamentul acesteia.

De exemplu, aerul fierbinte crește, dar de ce atunci este rece deasupra unei Munte. Răspunsul este că aerul cald este mai puțin dens decât aerul rece care îl înconjoară pentru o presiune constantă și fiind mai puțin dens crește. Cu un munte, presiunea scade și, de asemenea, constatăm în atmosferă că temperatura scade odată cu scăderea presiunii.

Într-o zi fierbinte, ceea ce tinde să se întâmple este că suprafața, care este încălzită de la soare, încălzește cel mai scăzut nivel al atmosferei, reducându-i densitatea (este la aceeași presiune ca și împrejurimile sale și crește T-ul). Acest lucru va conduce în cele din urmă la convecție și va amesteca vertical acest aer mai cald. Având suficient timp, acest lucru va reduce masa din coloana de aer și, prin urmare, va reduce presiunea la suprafață. Acestea sunt numite „minime de căldură” și le puteți vedea formându-se în zonele deșertice și joacă roluri în formarea brizei marine și a musonilor.

Pentru a aborda întrebarea extinsă:

Punctul din FAA scris este cel mai bine înțeles uitând că zburăm la altitudini constante – nu avem. În zbor nivel zburăm pe suprafețe de presiune constantă pe care apoi le traducem la altitudine. În orice coloană dată de atmosferă, dacă este mai cald decât standard, o suprafață de presiune dată va fi mai mare, iar când este mai rece decât standard, suprafața de presiune va fi mai mică.

Pentru a ilustra, să considerăm că zburați la 3000 ft sau aproximativ 900 mb. Oriunde pe această suprafață de presiune va indica 3000 ft pe altimetrul nostru pentru setarea curentă. Dacă mergem undeva fierbinți, această presiune suprafața crește și astfel urcăm (deși credem că suntem la nivel) cu această suprafață de presiune, dar pentru că presiunea nu s-a schimbat, indicăm totuși 3000 ft. Cu toate acestea, suntem mai mari de 3000 ft în realitate.

Acest lucru urmează următoarei dvs. întrebări. Napolitele aneroide detectează modificările de presiune, iar altimetrul dvs. afișează o altitudine care nu corectată pentru temperatură. Aceasta este de ce altitudinea dvs. reală poate varia în funcție de temperatură pentru o altitudine constantă indicată. Când corectați altitudinea în funcție de temperatură, numim această „altitudine de densitate”.

Deci, înapoi la exemplul meu de mai sus, zburați la 900 mb și indică 3000 ft și se îndreaptă spre un aer mai cald. Suprafața de presiune începe să crească ușor și așa cum nu ești totuși, după acea creștere și altimetrul dvs. va indica o coborâre. În zborul la nivel real, veți începe să zburați în presiune mai mare în acest caz, deoarece suprafața de 900 mb se ridică deasupra dvs. și napolitena aneroidă din altimetrul dvs. va indica o altitudine mai mică și o coborâre. Corectați acest lucru și urcați înapoi la nivelul de presiune de 900 mb, astfel încât altimetrul dvs. să indice din nou 3000 „, în timp ce urcați ușor pe această suprafață de presiune. Nu veți fi cu adevărat conștienți de acest lucru în timp ce zburați și veți trebuie doar să minimizați viteza verticală și să mențineți altitudinea fericită, fără să știți că zburați cu adevărat pe o suprafață de presiune constantă înclinată.

Pentru a ilustra mai bine acest lucru, luați în considerare următoarea figură:

În această figură, roșii indică o coloană de aer mai caldă decât media, iar albastrele o coloană mai rece decât media. Zona albicioasă din mijloc este o coloană la temperaturi medii. Liniile solide negre sunt izobare (linii de presiune constantă). Linia neagră punctată este o adevărată altitudine deasupra suprafeței. În cele din urmă, linia neagră și îndrăzneață este nivelul de presiune care corespunde cu altitudinea reală a liniei întrerupte în condițiile ISA.

Ce ar trebui să observați este că nivelurile de presiune din coloana caldă sunt distanțate, deoarece aerul este mai puțin dens și mai mult este necesar pentru a produce aceeași presiune (deoarece presiunea este doar greutatea întregului aer de deasupra acestuia). De asemenea, în coloana rece nivelurile de presiune sunt distanțate mai aproape, deoarece aerul este mai dens decât standard.

Pentru a lega acest lucru de discuțiile de mai sus, considerați-vă în coloana standard (fundal alb) la adevărata altitudine deasupra solului reprezentată de linia punctată. Altimetrul dvs. nu simte această adevărată altitudine, ci în schimb simte presiunea în afara avionului. Aceasta va fi calibrată aproximativ la altitudinea dvs. reală (necorectată pentru temperatură), dar folosind setarea altimetrului local. Acum, în timp ce zburați fie la stânga, fie la dreapta și mențineți o altitudine constantă indicată, veți urmări de-a lungul liniei îndrăznețe, deoarece aceasta este presiunea care corespunde adevăratei altitudini la timp standard. Pe măsură ce zburați către o coloană mai rece, în realitate veți coborî și veți urca în timp ce zburați în coloana mai caldă.

Comentarii

• Vă mulțumim. Foarte interesant. O ultimă întrebare: Presiunea afectează performanța avioanelor (temperatura crește presiunea crește)?
• Performanța aeronavei este foarte afectată de presiunea aerului, măsurată de densitatea altitudinii. Cu cât altitudinea densității este mai mare (cu atât este mai mică presiunea), cu atât veți obține mai puține performanțe. Poate face o diferență enormă, motiv pentru care ar trebui să faceți întotdeauna calculele de performanță ca parte a pre-zborului dvs.
• Este important să precizați că atunci când ‘ s fierbinte, suprafețele de presiune vor fi mai îndepărtate și atunci când ‘ este rece vor fi mai apropiate . Deoarece presiunea este cauzată de greutatea aerului de deasupra și este nevoie de un strat mai gros de aer mai cald mai puțin dens pentru a avea aceeași greutate. Rezultatul insidios este că setați altimetrul să se potrivească cu altitudinea reală la nivelul solului, dar mai mare, acesta va diferi în continuare din cauza temperaturii.
• Oh, iar densitatea altitudinii este o densitate.
• Acum sunt confuz: Presiunea crește odată cu temperatura. Performanța aeronavei este afectată de presiune. Performanța aeronavelor scade cu o temperatură mai ridicată decât cea standard. Cum poate o aeronavă să aibă o performanță mai mare cu o presiune mai mică?

Un lucru important de reținut este that $ Density = \ frac {Mass} {Volume} $. Nu are legătură cu presiunea, iar presiunea nu are legătură cu densitatea.

Presiunea crește în general cu temperatura numai într-un gaz cu volum constant. Acest lucru se datorează faptului că adăugați mai multă energie la sistem, determinând moleculele să devină mai excitate.Mai simplu spus, ei sar în jurul lor mai puternic și exercită mai multă energie unul pe celălalt și pereții containerului lor. O numim presiune.

Dacă nu ar exista un recipient, o creștere a temperaturii ar determina moleculele să se zboare. Acum există mai puține molecule pe unitate de volum, deci densitatea este mai mică.

Acum, în aviație și meteorologie, când vorbim despre presiunea atmosferică, aceasta este ușor diferită și este mai puțin legată de densitatea atmosferică. Sistemele de presiune înaltă și joasă sunt mai afectate de mișcarea relativă ascendentă și descendentă a maselor uriașe de aer decât de temperatura locală imediată, așa cum ar fi un gaz conținut.

Presiunea, densitatea și temperatura sunt corelate (aproximativ) prin ecuația gazului ideal. În forma generală este

$$ PV = nRT $$

Unde $ P $ este presiune, $ V $ este volum, $ n $ este sumă, $ T $ este temperatura și $ R $ este o constantă de gaz ideală. Dacă aveți un container închis umplut cu aer, volumul ($ V $) și cantitatea ($ n $) sunt aceleași, deci presiunea crește proporțional cu temperatura.

În mod gratuit atmosfera, totuși, presiunea este determinată de greutatea aerului de deasupra și astfel în cea mai mare parte fixată , deci prin încălzirea aerului crește în schimb volumul.

Pentru a ajunge la densitate, împărțim ecuația la volum și ajungem la:

$$ P = \ rho RT $$

Unde $ \ rho $ este densitatea (și undă de mână trecerea de la cantitate la masă, ascunzând factorul de conversie specific gazului în constanta gazului). Presiunea exterioară este constantă, astfel încât densitatea de fapt scade pe măsură ce temperatura crește.

Efectul practic al acestui lucru este că, din moment ce puterea motorului depinde de cantitatea de aer, poate atrage volumul fix. performanța cilindrilor este mai slabă când este mai cald.

Acum rămâne de explicat ce guvernează presiunea aerului deschis. Presiunea la un moment dat este cauzată de greutatea aerului de deasupra acestuia. Deoarece din cele de mai sus la temperatură constantă, densitatea este proporțională cu presiunea, ecuația completă este diferențială.

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

În cuvinte, schimbarea presiunii este egală cu diferența de înălțime ori densitatea.

Presiunea la nivelul solului este afectată de sistemele meteorologice în moduri complexe. Dar, din moment ce aerul mai rece este mai dens, înseamnă că atunci când este rece, presiunea va scădea mai repede odată cu altitudinea decât atunci când este fierbinte. Acum altimetrul măsoară într-adevăr presiunea și are reglare doar pentru presiunea la nivelul mării, dar nu și pentru tempera tura. Deci, când vă așezați altimetrul pe sol și urcați 1000 de picioare, veți fi la mai mult de 1000 de picioare deasupra solului atunci când este fierbinte, deoarece presiunea scade încet și la mai puțin de 1000 de picioare deasupra solului când este rece . Unele proceduri chiar și au temperatura minimă din această cauză.