www.albrecht57.de -
Термички
Математичко-физичко разгледување на основите на адијабатските промени на состојбата
Да, знам, страшно чудовиште! И како тоа да не е доволно, има и влажен адијабатичен градиент за подигнување и, конечно, градиент за стратификација. Меѓутоа, ако сакате да одите високо во спортската авијација без мотор (или да останете таму колку што е можно подолго), треба барем да имате поим за овие незгодни термини и да го знаете нивниот контекст.
Гледаме промена само во вечерните часови на нашиот летен ден, кога сонцето заоѓа како црвена топка. Сега патот на сончевите зраци низ атмосферата е многу подолг отколку на пладне и, покрај тоа, поради рамниот агол на инциденца на сончевите зраци на воздушниот плик, некои од овие зраци се рефлектираат назад во вселената како огледало. Особено, сината сончева светлина со краток бран се збогува на овој начин и црвениот дел од зрачењето соодветно се зголемува. Во текот на денот, сончевата светлина продира непречено низ невидливата атмосфера и само ја загрева земјата на дното на океанот на воздухот, додека самиот воздух не е загреан од сончевите зраци. Овој феномен, исто така, може да се провери во мал обем на секој прозорец кога сонцето сјае: Додека про transparentирното стакло останува релативно кул, прозорските рамки однадвор се загреаа значително, во зависност од бојата. Земјата загреана на овој начин сега делува како грејна плоча и го загрева воздухот над неа. И колку повеќе се движиме од овој извор на топлина на поголеми височини, толку станува постудено.
Градиентот на стратификација
Според стандардната атмосфера на ICAO, имаме просечна температура од 15 ° C на ниво на море и просечна температура од -56,5 ° C на крајот на тропосферата на 11 km надморска височина. Тоа прави намалување на температурата од 71,5 ° C до 11,000 m или 36,000 ft. Ако ова го претворите во помали висински интервали, добивате 0,65 ° C на 100 m или 2 ° C на 1000 ft. Игнориран совесно дека температурата се намалува до тропопаузата во никој случај не е толку рамномерна, но прави јасни скокови одвреме-навреме. Еден е задоволен од оваа просечна вредност од 0,65 ° C на 100 m и го нарекува градиент на раслојување ICAO.
Градиентот на стратификација е статистичка средна вредност за наклонот на температурната крива во атмосферата и лесно можете да пресметате, на пример, дека од пријателските 20 ° C во Гармиш-Партенкирхен на надморска височина од 800 m на врвот на Цугспице на надморска височина од 3000 m остануваат ладни 5 ° C. Ако навистина одиме нагоре со жичарницата и држиме термометар од прозорецот, тоа ќе покаже температурна вредност што е за 0,65 ° C пониска на секои 100 метри.
Воздушни парцели во ранецот
Дозволете ни да земеме добро спакуван кубен метар воздух со нас на пат кон Зугспице, без разлика дали пеш, со запчаната пруга или во удобната жичара. Добро спакуваното треба да значи дека избираме пакување што целосно го изолира воздушниот пакет и затоа не дозволува топлина да влегува или да излегува. Од друга страна, ова пакување треба да биде бестежинско, флексибилно и да се растегнува по потреба, така што нашиот воздушен пакет секогаш ќе го има на располагање потребниот волумен без да биде компресиран или раздвоен. Физичарот ја нарекува оваа состојба на совршена топлинска изолација адијабатска, што објаснува мал, но суштински дел од горенаведениот збор чудовиште.
На патот нагоре, надворешниот притисок на воздухот се намалува континуирано. Воздушниот притисок се генерира од тежината на воздушните маси над нас. Колку повисоко се качуваме, толку помалку воздух има над нас и помал притисок што го создава. Ние, луѓето, чувствуваме такви постепени промени во притисокот на воздухот само кога имаме настинка и најмногу кога воздушниот притисок повторно се зголемува кога ќе се спуштиме. Тогаш треба често да голтаме за да исчезне притисокот во нашите уши. Намалувањето на воздушниот притисок со надморска височина може да се пресмета со помош на меѓународната надморска формула:
1013,25hPa е притисок врз земјата на ниво на морето. Ако ја внесете посакуваната надморска височина во km за h, формулата го пресметува притисокот на оваа надморска височина.
За време на искачувањето, нашата воздушна парцела реагира на намалениот надворешен притисок на воздухот: Се шири и станува поголем. Воздух што се шири, но станува постуден! Нашиот фрижидер работи според овој принцип, а спротивниот ефект веројатно веќе го забележавме при надувување на гума, ако тоа го сторивме рачно со пумпа за воздух и не користевме компресор. Пумпата за воздух се загрева! Се разбира, компресорот исто така се загрева, поради што не треба да го допираме неговиот цилиндар за време на работата за да избегнеме печење на прстите! Ова секојдневно искуство нè учи дека воздухот се загрева со компресија. Спротивниот случај може да се докаже и со отворање на вентилот на исполнетиот сад за компресор: Вентилот станува ладен и постуден поради истекувањето на воздухот, влагата во амбиентниот воздух кондензира на него и доколку има доволно снабдување со воздух, може да се формира мраз. На крајот на краиштата, ваквите игри можат дури и да го ладат воздухот досега што станува течен! Доколку не верувате, посетете го Дојчевиот музеј во Минхен за да го видите тоа сами!
Проширувањето значи ладење
Нашата воздушна парцела не само што станува поголема, туку и постудена заради ова проширување. Ладењето доаѓа само од процесот на проширување како резултат на намалувањето на притисокот, а не од околината, која исто така станува постудена; На крајот на краиштата, ние го имаме 100% термички изолиран! Ова ладење исто така може да се пресмета:
Освен експонентот, формулата изгледа прилично безопасна: Температурните услови се поврзани со условите на притисок. Сепак, ние исто така мора да го земеме предвид топлинскиот капацитет на вклучениот гас, односно воздухот. Топлинскиот капацитет покажува колку се зголемува температурата на супстанцијата кога се снабдува со енергија. Со одредена количина на супстанција со голем топлински капацитет, потребна е поголема енергија за исто зголемување на температурата отколку за иста количина на супстанција со мал топлински капацитет. На пример, за да загреете 1 кг дрво за 10 ° C, потребни ви се околу 25 kJ. За еден кг железо потребни се само 4,5 kJ за исто зголемување на температурата. За да загрееме еден литар вода за 10 ° C, потребни ни се скоро 42 kJ. Специфичниот топлински капацитет на супстанцијата, фигуративно кажано, укажува на неговата способност да апсорбира енергија без да го „предаде“ ова преку нагло зголемување на температурата.
Гасовите, исто така, имаат таков специфичен топлински капацитет и не само еден, туку два! Ако додадете енергија на гас, така што неговата температура ќе се зголеми, тој ќе се прошири колку што може, т.е. зголемете го неговиот волумен при ист притисок. Но, ако го заклучите гасот за затоплување во фиксен волумен, тој реагира со зголемување на притисокот. Бидејќи смешната работа е: Во зависност од гасот има различен специфичен топлински капацитет:
Во првиот случај, т.е. со зголемување на волуменот и постојан притисок, воздухот има специфичен топлински капацитет од 1,005. Во овој случај, потребни се околу 10 kJ за да се загрее 1 кг воздух за 10 ° С. Ако волуменот се остави константен за време на загревањето, така што притисокот се зголемува, специфичниот топлински капацитет на воздухот е само 0,717. Значи, сега се потребни само 7,1 kJ за да се загрее истата количина на воздух за 10 ° C.
Во случај на адијабатски промени во состојбата на гасови, количникот на двата специфични топлински капацитети често игра улога; тој е 1,402 и е претставен во формулата со малата грчка капа.
Намалување на температурата на транспортираната воздушна парцела
Сега ги имаме сите формули што ни требаат за да го пресметаме намалувањето на температурата во нашиот транспортиран и добро изолиран пакет воздух: Со меѓународната формула за висина, го одредуваме намалувањето на притисокот со висината и втората формула ни овозможува да заклучиме намалување на температурата. Се разбира, не ги правиме овие пресметки рачно, за што служат системите за табеларни пресметки?
Притисок на ниво на море
Висина над почетната висина
Температура во К.
Температура во ° C
Записите на корисниците се прават само во трите полиња со жолта позадина, сите други вредности се пресметуваат во зависност од ова. Во примерот погоре, внесени се стандардните вредности на ICAO и јасно можете да видите како се намалуваат притисокот и температурата на нашата транспортирана воздушна парцела со зголемување на надморската височина. Зачудувачки е што намалувањето на температурата е скоро линеарно, иако употребените формули содржат многу „искривени“ експоненти. Температурното опаѓање на транспортираната воздушна парцела е скоро 1 ° C на 100 m разлика во надморска височина и тоа е точно сувиот ададијабатски градиент за подигнување!
Сувиот адијабатичен градиент за подигнување
Тој се нарекува градиент "лифт" затоа што ја транспортираме воздушната парцела нагоре и со тоа механички ја креваме. Тоа е адијабатичен градиент за подигнување затоа што, благодарение на нашето оптимално пакување, спречуваме каква било енергија, а со тоа и размена на топлина со околината. И, конечно, е суво затоа што спакувавме комплетно сув пакет воздух во Гармиш без водена пареа на кондензација. Која е температурата на нашиот пакет за воздух кога конечно ќе го достигнеме врвот? Во следната табела, податоците веќе претпоставени погоре за Гармиш-Партенкирхен се внесени како почетни вредности, имено 20 ° C на надморска височина од 800 m. Со овие вредности во основа го спакувавме нашиот воздух.
Притисок на ниво на море
Висина над почетната висина
На самитот на 3000 m надморска височина достигнува -1.64 ° C, па затоа е скоро 7 ° C постудено од амбиенталниот воздух во Шнафернерхаус. Поради градиентот на стратификација, утврдивме температура на околината од околу + 5 ° С. Поврзаната табела EXCEL се нарекува adiabate.xls. Ова значи дека секој може да ги менува почетните вредности по своја волја и да ги набудува ефектите. Зачудувачки е што температурните вредности, а со тоа и температурните разлики не се менуваат доколку се промени QNH, т.е. притисокот на ниво на морето.
Влажен воздух
Но, што ако имавме спакувано влажен воздух? Ако има сув адијабатичен градиент за подигнување, влажниот адијабатичен сигурно не е далеку! За да го објасниме истото, сепак, мора да се вратиме малку назад:
Водата е многу важен фактор во времето. Не е претерување да се каже дека без вода немаше да има време! Водата се јавува во сите три агрегатни состојби во атмосферата: течна, гасовита и цврста. Стара заблуда е дека облаците се состојат од водена пареа, бидејќи водената пареа е невидлива! Ако имате проблеми со ова, погледнете одблизу кога Мајка испарува од Сикоматик во кујната. Директно на излезната точка и 2 - 3 см потоа не можете да видите ништо! Облаци од магла почнуваат да се формираат само на поголемо растојание од садот. Сега претходно пареата со топла вода веќе се кондензираа во течна вода заради релативно кул средина. Значи, она што го гледате се мали капки вода! Значи, воздухот многу добро може да содржи водена пареа (т.е. гасовита вода) без ние да ја видиме. Значи, кога гледаме нешто, тоа е секогаш течна вода. Облаците се состојат од течна или дури и замрзната вода во ситни капки или кристали.
За наши понатамошни размислувања, транзициите помеѓу трите држави се од посебен интерес. Па, ајде да погледнеме што се случува кога водата ќе испари. Со цел да ги пронајдеме овие појави, сè што ни треба како додаток на тенџере со вода на шпоретот е термометар. Секој знае дека температурата на водата се зголемува кога ќе ја вклучиме шпоретот. Ние додаваме енергија, така што температурата на загреаниот материјал се зголемува во согласност со специфичниот капацитет на топлина. Веќе споменавме погоре дека 1 кг вода бара околу 42 kJ енергија за зголемување на температурата од 10 ° С. Во старите денови, кога сè беше многу подобро, слабите жени сметаа калории додека јадеа, а физичарите ги броеја (калориите, а не жените!). Тоа беа денови! Старата енергетска единица „калории“, всушност, беше „калибрирана“ со вода и обезбедуваше многу поубави вредности од џулата со ново завојување. Затоа, накратко се враќаме во оние стари, убави времиња, сега направената пресметка гласи: За да загреете 1 кг вода за 10 ° C, потребна ви е количина на енергија од 10 килокалории. Или, што е сосема исто: 1 килокалорија за 1 ° C на кг.
Ако го ставиме нашиот сад со еден килограм студена вода од 20 ° C на шпоретот, потребни ни се 80 килокалории за да се загрее оваа количина на 100 ° C. Лесно можеме да го одредиме ова зголемување на температурата со нашиот термометар: Се крева полека, но стабилно. Како што сите веруваат, водата врие на оваа температура, така што процесот на испарување е во полн ек. Врие и испарува, горниот дел од шпоретот сè уште пука на највисоко ниво, само што нашиот термометар не треска повеќе. Останува вкоренет на 100 ° C!
Извор на енергија водена пареа
Барем сега треба да започнеме да размислуваме: каде одат сите оние убави и скапи калории што сè уште ги снабдува горниот шпорет? Тие веќе не се погодни за зголемување на температурата на водата, како што докажува термометарот. Ниту оваа енергија не може да исчезне; ова е спречено со принципот на зачувување на енергијата. Единствениот процес што останува сега е процес на испарување и токму за тоа се користат сите калории. Потребна е неверојатна количина на енергија за да се претвори течната вода во пареа со иста температура. Ако сакаме да испариме цел литар вода, треба да потрошиме скоро 600 килокалории на неа. За споредба, 80-те килокалории пресметани погоре за греење изгледаат потполно смешно!
Оваа енергија сега е во пареата. Ако го оставиме повторно да кондензира, точно оваа количина на енергија се ослободува повторно како топлина на кондензација. Како прво, водената пареа е пристоен извор на енергија. Второ, има огромно балансирачко дејство затоа што апсорбира многу енергија во време на вишок и може повторно да го ослободи во време на недостаток. Без водена пареа или без нејзината способност да складира енергија, би имале многу поочигледни температурни разлики на земјата.
Водена пареа во воздухот
Водата што испарува во садот или на површината на земјата се издига високо во атмосферата и се наоѓа во воздухот како невидлив воден гас. Станува видливо во ладни ноќи кога се депонира во течна форма како роса на тревата и прозорците на автомобилот. Ако не сакате да излезете на студ, можете да нарачате ладно пиво во вашиот паб, а потоа да го гледате истиот феномен на вашата чаша. Од ова учиме дека воздухот ја дава водената пареа што ја содржи на ниски температури. Можеме да го визуелизираме воздухот како сунѓер, кој може да апсорбира и складира вода, но исто така и да остави повторно да капе. Капацитетот на складирање на нашиот воздушен сунѓер зависи исклучиво од неговата температура: колку е поголема температурата на воздухот, толку повеќе водена пареа може да апсорбира. Постои грубо, но сепак доволно правило за овој „капацитет на складирање“ на воздухот: Еден кубен метар воздух може да апсорбира максимум водена пареа во грамови колку што одговара на неговата температура во ° C. Накратко: 1 кубен метар воздух на 10 ° C може да апсорбира максимум 10 g водена пареа; ако сакаме да собереме 20 g водена пареа, воздухот мора да биде најмалку 20 ° C топол.
Назад во Гармиш
Да спакуваме уште еден кубен метар воздух на 20 ° C во нашиот феноменален изолациски ракав во Гармиш. Но, овој пат земаме една што содржи точно 10 g водена пареа. Бидејќи можеме лесно да пресметаме (1 ° C/100 m) или да погледнеме во горната табела, треба да се искачиме точно 1000 m додека нашиот воздушен пакет не се олади до 10 ° C. Иако сега има пареа во воздухот, во прво време можеме лесно да се преправаме дека е целосно суво. Сè додека содржината вода е содржана исклучиво како невидлив гас, ова воопшто нема ефект врз нашите претходно направени размислувања и пресметки.
Меѓутоа, ако се искачиме повисоко и воздухот се лади понатаму, содржината на водена пареа повеќе не може да се држи, бидејќи е потребна температура на воздухот од најмалку 10 ° C за 10 g пареа. Секое понатамошно ладење доведува до кондензација на вишокот пареа. Ако нашата супер школка е исто така транспарентна, гледаме дека сега носиме мал облак нагоре по планината. За време на оваа кондензација, топлината на кондензацијата зачувана во пареата повторно се ослободува. Ова значи дека воздушната парцела повеќе не се лади за 1 ° C за секои 100 m разлика во надморска височина на понатамошното нагорно. Намалувањето на температурата е помало како резултат на енергијата од водената пареа на кондензацијата и е помеѓу 0,3 и 0,9 ° C во зависност од содржината на водена пареа и почетната температура; Очекуваме во просек 0,6 ° С. Ова е градиент на влажно адијабатско подигнување.
Да го „тргнеме“ примерот понатаму: Ако се искачиме на преостанатите 1200 м до врвот и пренесениот воздух се лади само за 0,6 ° C на 100 m, нашиот воздушен пакет е на +2,8 ° C на врвот Иако е сè уште постуден од амбиенталниот воздух, тој сепак е значително потопол од парцелата претходно пренесена сува.
Дискутираните градиенти секогаш ја означуваат големината на намалувањето на температурата со зголемување на надморската височина. Прво мора да се направи разлика дали го мериме намалувањето на температурата во статички слој на воздух, каде што станува постудено на поголема надморска височина, едноставно затоа што се оддалечуваме сè повеќе и повеќе од „грејната плоча“ на земјата. Во другиот случај, ние механички го подигнуваме воздухот. Воздухот станува постуден бидејќи се шири. Тука мора да се направи разлика дали подигнатиот воздух е сув (т.е. без видлива кондензација) или влажен.
Намалување на температурата на слојот за одмор на воздухот.