Wie hängt der Druck mit der Luftdichte zusammen?

Die Die Atmosphäre nähert sich einem idealen Gas an, und als solches können Sie Druck und Dichte durch die ideale Gasgleichung in Beziehung setzen. Die Form, die wir in der Meteorologie verwenden, verwendet die Massendichte und ist gegeben durch:

$$ p = {\ rho} RT $$

wobei $ P $ der Druck in Einheiten von Pa ist, $ \ rho $ ist die Dichte in Einheiten von kg m-3, $ R $ ist die Gaskonstante für trockene Luft (287 J kg-1 K-1) und $ T $ ist die Temperatur in Kelvin. Dies setzt eine trockene Atmosphäre voraus und die Luftfeuchtigkeit verringert die Dichte bei einem bestimmten Druck. Die Berücksichtigung von Wasserdampf erfolgt normalerweise durch Ändern der Temperatur in die virtuelle Temperatur $ T_V $, wobei $ T_V = T (1 + 0,61q) $ und $ q $ das Mischungsverhältnis von Wasserdampf (Einheiten $ kg ~ kg ^ {- 1) ist } $).

Der Druck steigt mit der Temperatur, da die Partikel mehr kinetische Energie haben (die proportional zu $ T $ ist). Stellen Sie sich eine Kiste voller springender Bälle vor. Wenn sich diese Bälle schneller bewegen, schlagen die Bälle härter gegen die Wände der Kiste und üben mehr Kraft auf die Kiste aus. Der Druck ist lediglich eine Kraft pro Fläche. Wenn also die Kraft zunimmt, die Box jedoch gleich groß bleibt, hat sich der Druck erhöht.

Die Luftdichte kann mit der Temperatur abnehmen, wenn auch der Druck abnimmt. Wenn der Druck konstant ist, kann dies nicht passieren (sie würden umgekehrt zusammenhängen). Jedes Mal, wenn Sie eine Beziehung zwischen Druck, Dichte oder Temperatur angeben, müssen Sie die dritte Konstante halten oder ihr Verhalten angeben.

Zum Beispiel steigt heiße Luft auf, aber warum ist es dann kalt auf a Berg. Die Antwort ist, dass heiße Luft bei konstantem Druck weniger dicht ist als die kalte Luft, die sie umgibt, und dass sie weniger dicht aufsteigt. Bei einem Berg nimmt der Druck ab, und wir stellen in der Atmosphäre ebenfalls fest, dass die Temperatur mit abnehmendem Druck abnimmt.

An einem heißen Tag kann die Oberfläche erwärmt werden erwärmt durch die Sonne das niedrigste Niveau der Atmosphäre und verringert deren Dichte (es steht unter dem gleichen Druck wie seine Umgebung und sein T steigt an). Dies wird schließlich die Konvektion antreiben und diese wärmere Luft vertikal mischen. Bei ausreichender Zeit wird dadurch die Masse in der Luftsäule und damit der Druck an der Oberfläche verringert. Diese werden als „Hitzetiefs“ bezeichnet, und Sie können sehen, wie sie sich in den Wüstengebieten bilden, und sie spielen eine Rolle bei der Bildung der Meeresbrise und des Monsuns.

Um die erweiterte Frage zu beantworten:

Der Punkt in der FAA wird am besten verstanden, wenn man vergisst, dass wir in konstanten Höhen fliegen – das tun wir nicht. Im Horizontalflug fliegen wir auf Oberflächen mit konstantem Druck, die wir dann in eine Höhe übersetzen. In jeder gegebenen Spalte der Atmosphäre, Wenn es wärmer als Standard ist, ist eine bestimmte Druckfläche höher und wenn es kälter als Standard ist, ist die Druckfläche niedriger.

Zur Veranschaulichung nehmen wir an, Sie fliegen mit 3000 Fuß oder ungefähr 900 MB. Überall auf dieser Druckfläche werden auf unserem Höhenmesser 3000 Fuß für die aktuelle Einstellung angezeigt. Wenn wir an einen heißen Ort gehen, diesen Druck Die Oberfläche steigt an, und so klettern wir mit dieser Druckoberfläche (obwohl wir glauben, dass wir auf gleicher Höhe sind). Da sich der Druck jedoch nicht geändert hat, geben wir immer noch 3000 Fuß an. In Wirklichkeit sind wir jedoch höher als 3000 Fuß.

Dies folgt in Ihrer nächsten Frage. Aneroid-Wafer erkennen Druckänderungen und Ihr Höhenmesser zeigt eine Höhe an, die nicht um die Temperatur korrigiert ist Warum Ihre wahre Höhe bei konstanter angezeigter Höhe mit der Temperatur variieren kann. Wenn Sie die Höhe für die Temperatur korrigieren, nennen wir dies „Dichtehöhe“.

Zurück zu meinem obigen Beispiel: Sie fliegen mit 900 mb und zeigt 3000 Fuß an und geht in wärmere Luft. Die Druckfläche beginnt sanft anzusteigen und Sie sind es nicht Wenn Sie diesem Anstieg folgen, zeigt Ihr Höhenmesser einen Abstieg an. Im echten Horizontalflug beginnen Sie in diesem Fall mit höherem Druck zu fliegen, wenn sich die 900-MB-Oberfläche über Ihnen erhebt und der Aneroid-Wafer in Ihrem Höhenmesser eine niedrigere Höhe und einen Abstieg anzeigt. Sie korrigieren dies und klettern wieder auf das Druckniveau von 900 MB, so dass Ihr Höhenmesser wieder 3000 „anzeigt, während Sie tatsächlich sanft auf dieser Druckfläche klettern. Sie werden dies jedoch beim Fliegen nicht wirklich bemerken und werden es auch tun.“ Minimieren Sie einfach die vertikale Geschwindigkeit und behalten Sie die Höhe bei, ohne zu wissen, dass Sie wirklich auf einer abfallenden Oberfläche mit konstantem Druck fliegen.

Um dies besser zu veranschaulichen, betrachten Sie die folgende Abbildung:

In dieser Abbildung bedeuten die Rottöne eine überdurchschnittlich wärmere Luftsäule und der Blau eine kühlere als die durchschnittliche Luftsäule. Der weißliche Bereich in der Mitte ist eine Säule bei Durchschnittstemperaturen. Die schwarzen durchgezogenen Linien sind Isobaren (Linien mit konstantem Druck). Die gestrichelte schwarze Linie ist eine echte Höhe über der Oberfläche. Schließlich ist die fette schwarze Linie das Druckniveau, das der tatsächlichen Höhe der gestrichelten Linie bei ISA-Bedingungen entspricht.

Was Sie beachten sollten, ist, dass die Druckniveaus in der warmen Säule weiter voneinander entfernt sind, weil die Luft ist weniger dicht und es wird mehr davon benötigt, um den gleichen Druck zu erzeugen (da der Druck nur das Gewicht der gesamten Luft darüber ist). Ebenso sind in der Kühlsäule die Druckniveaus enger beieinander angeordnet, da die Luft dichter als normal ist.

Um dies mit den obigen Diskussionen zu verknüpfen, betrachten Sie sich in der Standardspalte (weißer Hintergrund) in der tatsächlichen Höhe über dem Boden, die durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Ihr Höhenmesser erfasst diese wahre Höhe nicht, sondern den Druck außerhalb des Flugzeugs. Dies wird grob auf Ihre wahre Höhe kalibriert (unkorrigiert für die Temperatur), jedoch unter Verwendung der lokalen Höhenmessereinstellung. Wenn Sie nun entweder nach links oder nach rechts fliegen und eine konstant angezeigte Höhe beibehalten, werden Sie entlang der fettgedruckten Linie verfolgt, da dies der Druck ist, der Ihrer tatsächlichen Höhe bei Standardtemperaturen entspricht. Wenn Sie zu einer kälteren Säule fliegen, steigen Sie in Wirklichkeit ab und klettern, wenn Sie in die wärmere Säule fliegen.

Kommentare

• Vielen Dank. Sehr interessant. Eine letzte Frage: Beeinflusst der Druck die Leistung von Flugzeugen (Temperaturanstieg erhöht den Druck)?
• Die Leistung von Flugzeugen wird stark vom Luftdruck beeinflusst, gemessen an der Dichte der Höhe. Je höher die Dichtehöhe (je niedriger der Druck), desto weniger Leistung erhalten Sie. Dies kann einen enormen Unterschied machen, weshalb Sie Ihre Leistungsberechnungen immer im Rahmen Ihres Vorfluges durchführen sollten.
• Es ist wichtig zu sagen, dass wenn ‚ Wenn es heiß ist, sind die Druckflächen weiter voneinander entfernt und wenn es ‚ kalt ist, sind sie näher beieinander . Weil der Druck durch das Gewicht der Luft oben verursacht wird und es einer dickeren Schicht weniger dichter wärmerer Luft bedarf, um das gleiche Gewicht zu haben. Das heimtückische Ergebnis ist, dass Sie den Höhenmesser so einstellen, dass er der tatsächlichen Höhe in Bodennähe entspricht, aber höher ist er aufgrund der Temperatur immer noch unterschiedlich.
• Oh, und die Dichtehöhe ist eine Dichte.
• Jetzt bin ich verwirrt: Der Druck steigt mit der Temperatur. Die Leistung des Flugzeugs wird durch den Druck beeinflusst. Die Leistung der Flugzeuge sinkt wärmer als Standard. Wie kann ein Flugzeug eine bessere Leistung bei niedrigerem Druck erzielen?

Eine wichtige Sache, an die man sich erinnern sollte, ist dass $ Density = \ frac {Mass} {Volume} $. Es steht in keinem Zusammenhang mit dem Druck, und der Druck steht in keinem Zusammenhang mit der Dichte. Der Druck steigt im Allgemeinen nur in einem Gas mit konstantem Volumen mit der Temperatur an. Dies liegt daran, dass Sie dem System mehr Energie hinzufügen, wodurch die Moleküle mehr austreten.Einfach ausgedrückt, springen sie härter herum und üben mehr Energie aufeinander und auf die Wände ihres Containers aus. Wir nennen das Druck.

Wenn es keinen Behälter gäbe, würde ein Temperaturanstieg dazu führen, dass die Moleküle auseinander fliegen. Jetzt gibt es weniger Moleküle pro Volumeneinheit, daher ist die Dichte geringer.

Wenn wir jetzt in der Luftfahrt und Meteorologie über atmosphärischen Druck sprechen, ist dies etwas anders und hängt weniger mit der atmosphärischen Dichte zusammen. Hoch- und Niederdrucksysteme werden stärker von der relativen Aufwärts- und Abwärtsbewegung großer Luftmassen als von der unmittelbaren lokalen Temperatur beeinflusst, wie dies bei einem enthaltenen Gas der Fall wäre.