Õhu tiheduse valem erinevatel temperatuuridel. Õhuniiskuse mõju. Temperatuur, rõhk ja tihedus
Kasvatatud diferentsiaalvõrrandid(1.2, 1.4) sisaldavad parameetreid, mis iseloomustavad vedelikku või gaasi: tihedus r , viskoossus m , samuti parameetrid poorne keskkond– poorsuse koefitsiendid m ja läbilaskvus k . Edasiste arvutuste jaoks on vaja teada nende koefitsientide sõltuvust rõhust.
Vedeliku tiheduse langus. Tilkuva vedeliku pideva filtreerimise korral võib selle tihedust pidada rõhust sõltumatuks, st vedelikku võib pidada kokkusurumatuks: r = konst .
Rõhk tõuseb temperatuuri tõustes, kuna osakestel on suurem kineetiline energia. Kujutage ette kasti täis põrkavaid palle, kui need pallid hakkavad kiiremini liikuma, löövad pallid tugevamini vastu kasti seinu, andes kastile rohkem jõudu. Rõhk on ainult jõud pindala kohta, nii et kui jõud suureneb, kuid kast jääb samaks, siis rõhk suureneb.
Õhu tihedus võib temperatuuri tõustes väheneda, kui ka rõhk väheneb. Kui rõhk on konstantne, ei saa seda juhtuda. Kui määrate seose mis tahes kahe rõhu, tiheduse või temperatuuri vahel, peate hoidma kolmanda konstantsena või määrama selle käitumise.
Mööduvate protsesside puhul on vaja arvestada vedeliku kokkusurutavusega, mida iseloomustab vedeliku mahuline surveaste b . Seda koefitsienti peetakse tavaliselt konstantseks:
Viimase võrdsuse integreerimine algrõhu väärtustest p 0 ja tihedus r0 praegustele väärtustele saame:
Näiteks kuum õhk tõuseb, aga miks mäe otsas külm on. Vastus on, et kuum õhk on pideva rõhu korral vähem tihe kui seda ümbritsev külm õhk ja vähem tihe see tõuseb. Mäega rõhk langeb ja ka atmosfääris leiame, et rõhu langedes temperatuur langeb.
Tavaliselt juhtub kuumal päeval see, et päikese käes soojendatav pind soojendab atmosfääri madalaimat taset, vähendades seeläbi selle tihedust. See viib lõpuks konvektsioonini ja segab seda sooja õhku vertikaalselt. Piisava aja jooksul vähendab see õhusamba massi ja vähendab seega pinnarõhku. Neid nimetatakse "termiliseks madalseisuks" ja näete nende moodustumist kõrbealadel ning nad mängivad rolli meretuule ja mussoonide tekkes.
Sel juhul saame tiheduse lineaarse sõltuvuse rõhust.
Gaaside tihedus. Väikeste rõhu- ja temperatuurimuutustega kokkusurutavaid vedelikke (gaase) saab iseloomustada ka mahulise kokkusurumise ja soojuspaisumisteguriga. Kuid suurte rõhu ja temperatuuri muutuste korral muutuvad need koefitsiendid suurtes piirides, seega põhineb ideaalse gaasi tiheduse sõltuvus rõhust ja temperatuurist Claiperoni-Mendelejevi olekuvõrrandid:
Laiendatud küsimuse lahendamiseks. Lennutasandil lendame konstantse rõhuga pindadel, mille seejärel teisendame kõrguseks. Igas atmosfäärisambas, kui see on tavalisest soojem, on antud rõhupind kõrgem ja kui see on standardsest külmem, on rõhk madalam.
See järgneb järgmisele küsimusele. Aneroidplaadid tuvastavad rõhu muutused ja teie kõrgusemõõtja kuvab temperatuuri korrigeerimata kõrgust. Seetõttu võib teie tegelik kõrgus muutuda sõltuvalt temperatuurist konstantsel teatatud kõrgusel. Kui reguleerite temperatuuri kõrgust, kutsume seda "tiheduse kõrguseks".
kus R' = R/M m on gaasikonstant, mis sõltub gaasi koostisest.
Õhu ja metaani gaasikonstandid on vastavalt võrdsed, õhu R΄ = 287 J/kg K˚; R΄ metaan = 520 J/kg K˚.
Viimane võrrand kirjutatakse mõnikord järgmiselt:
(1.50) |
Viimasest võrrandist on näha, et gaasi tihedus sõltub rõhust ja temperatuurist, seega kui gaasi tihedus on teada, siis on vaja märkida gaasi rõhk, temperatuur ja koostis, mis on ebamugav. . Seetõttu võetakse kasutusele normaalsete ja standardsete füüsiliste tingimuste mõisted.
Survepind hakkab aeglaselt tõusma ja seda tehes ei jälgi te veel seda tõusu ja teie kõrgusemõõtja näitab laskumist. Tõelise tasapinnaga väljal hakkate sel juhul lendama kõrgemal rõhul, kuna 900 mb pind tõuseb teie kohal ja teie kõrgusemõõtja anoderoidplaat näitab madalamat kõrgust ja laskumist. Kuid te ei mõista seda lennates ja lihtsalt minimeerite vertikaalset kiirust ja säilitate kõrguse, õndsalt teadmata, et tegelikult lendate pideva rõhu all.
Tavalised tingimused vastavad temperatuurile t = 0°C ja rõhule p = 0,1013° MPa. Õhu tihedus normaalsetes tingimustes on ρ v.n.us = 1,29 kg / m 3.
Standardtingimused vastavad temperatuurile t = 20°C ja rõhule p = 0,1013° MPa. Õhu tihedus standardtingimustes on ρ w.st.us = 1,22 kg / m 3.
Seetõttu on antud tingimustes teadaolevast tihedusest võimalik arvutada gaasi tihedus muude rõhu ja temperatuuri väärtuste juures:
Selle paremaks illustreerimiseks vaadake järgmist joonist. Sellel pildil tähendavad punased keskmisest õhusammast soojemat ja sinised keskmisest külmemat. Keskel asuv valkjas ala tähistab kolonni keskmisel temperatuuril. Mustad pidevad jooned on isobaarid. Must must joon on tegelik kõrgus pinnast.
Peaksite märkama, et sooja kolonni rõhutasemed on üksteisest kaugemal, kuna õhk on vähem tihe ja see nõuab rohkem energiat. Samamoodi on jahedas kolonnis rõhutasemed üksteisele lähemal, kuna õhk on tavalisest õhust tihedam.
Jättes välja reservuaari temperatuuri, saame ideaalse gaasi olekuvõrrandi, mida kasutame edaspidi:
kus z - koefitsient, mis iseloomustab tegeliku gaasi oleku kõrvalekalde astet ideaalsete gaaside seadusest (ülikokkusurutavuse koefitsient) ja sõltub antud gaasi rõhust ja temperatuurist z = z(p, T) . Superkompressitavuse koefitsiendi väärtused z on määratud D. Browni graafikute järgi.
Selle seostamiseks ülaltoodud aruteluga kaaluge end tavalises veerus maapinnast tegelikul kõrgusel, mida tähistab punktiirjoon. Teie kõrgusemõõtja ei taju seda tegelikku kõrgust, vaid tajub rõhku väljaspool lennukit. See kalibreeritakse ligikaudselt teie tegelikule kõrgusele, kuid kasutades kohalikku kõrgusmõõturi seadet. Nüüd, kui lennate vasakule või paremale ja säilitate konstantset näidatud kõrgust, jälgite jämedat joont, kuna see on rõhk, mis vastab teie tegelikule kõrgusele standardtempos.
Õli viskoossus. Katsed näitavad, et õli (rõhul, mis on üle küllastusrõhu) ja gaasi viskoossuskoefitsiendid suurenevad rõhu tõustes. Oluliste rõhumuutuste korral (kuni 100 MPa) võib reservuaariõlide ja maagaaside viskoossuse sõltuvust rõhust võtta eksponentsiaalselt:
(1.56) |
Väikeste rõhumuutuste korral on see sõltuvus lineaarne.
Kui lennate külmemasse kolonni, siis tegelikult laskute alla ja ronite, kui lendate soojemasse kolonni. Liigse õhumassi poolt rohkem kokku surutud kui suuremal kõrgusel: seega on õhk tihedam. Õhul on alati suurim tihedus ja rõhk maa peal – ja kõige suurem kõrge temperatuur välja arvatud inversioonid. Suuremal kõrgusel muutub õhk aina hõredamaks. Kui temperatuur oleks kõigil kõrgustel sama, väheneks vastavalt gaasiseadusele ka õhurõhk ja õhutihedus kõrguse kasvades.
Siin m0 – viskoossus fikseeritud rõhul p0 ; β m - koefitsient määratakse katseliselt ja sõltuvalt nafta või gaasi koostisest.
Moodustumise poorsus. Et teada saada, kuidas poorsuse koefitsient sõltub rõhust, kaaluge vedelikuga täidetud poorses keskkonnas mõjuvate pingete küsimust. Kui rõhk vedelikus väheneb, suurenevad poorse keskkonna skeletile mõjuvad jõud, mistõttu poorsus väheneb.
Erinevatel kõrgustel on temperatuur aga väga erinev. 90% atmosfäärist on alla 20 km. 70% atmosfäärist asub alla 10 km merepinnast. 55% atmosfäärist asub alla 5 km üle merepinna. Nagu näete, sõltuvad need muutujad suuresti temperatuurist.
Õhutiheduse täpne määramine
Õhu täpse tiheduse määramine nõuab niiskuse arvestamist, kuna see muudab õhu gaasikonstanti. Pärast gaasikonstandi reguleerimist Eq. Niiske õhu gaasikonstant arvutatakse valemi abil. Küllastunud aururõhk, pange tähele piiranguid. Võrrand annab aururõhu Pascalis. Teise võimalusena valem.
Tahke faasi väikese deformatsiooni tõttu arvatakse tavaliselt, et poorsuse muutus sõltub lineaarselt rõhu muutusest. Kivimite kokkusurutavuse seadus on kirjutatud järgmiselt, tutvustades moodustumise mahuline elastsuse koefitsient b c:
kus m0 – poorsuse koefitsient rõhul p0 .
Erinevate granuleeritud kivimite laboratoorsed katsed ja väliuuringud näitavad, et reservuaari mahulise elastsuse koefitsient on (0,3 - 2) 10 -10 Pa -1.
Kasutamine; eriti täpsed väärtused pakub paneel. Atmosfäär on meie planeeti ümbritsev õhukiht. Teised planeedid Päikesesüsteem on ka atmosfäär. Atmosfääri moodustavad gaasid hoitakse Maa ümber gravitatsiooni tõmbejõu tõttu ja kaasnevad selle liikumisega.
Õhutihedus väheneb kõrguse kasvades, 50% suspensioonis olevatest gaasidest ja osakestest paikneb esimese 5 km kaugusel. Atmosfäär on elu säilitamiseks Maal ülioluline, sest. See on hapnikuallikas, eluks vajalik gaas, mis reguleerib temperatuuri ja maakliima, mis vastutab vee jaotumise eest planeedil, kaitseb Maad kosmiliste kiirte ja meteooride eest. Atmosfäär: meie kaitsekilp.
Oluliste rõhumuutuste korral kirjeldatakse poorsuse muutust võrrandiga:
ja suurte jaoks - eksponentsiaalne:
(1.61) |
Purunenud reservuaarides muutub läbilaskvus sõltuvalt rõhust intensiivsemalt kui poorsetes, seega ka purunenud reservuaarides, võttes arvesse sõltuvust k(p) vajalikum kui granuleeritud.
Maa atmosfäär on vertikaalse profiiliga erinevate omadustega ja on ligikaudu 000 km paksune. Seda tekitav õhusammas avaldab rõhku, mida nimetatakse atmosfäärirõhuks. Kuna see oleneb õhu tihedusest, siis tõuseb atmosfäärirõhk madalamaks.
Atmosfäärirõhk varieerub ka piki maapinda, mis on meteoroloogilise analüüsi jaoks oluline muutuja. Atmosfäär vastutab ka päeva jooksul sinise taeva vaatlemise eest, kuna sinise taeva osakesed hajutavad sellel lainepikkusel valdavalt nähtavat kiirgust.
Kihist küllastava vedeliku või gaasi ja poorse keskkonna olekuvõrrandid viivad lõpule diferentsiaalvõrrandite süsteemi.
Teema kokkuvõte:
Õhu tihedus
Plaan:
- Sissejuhatus
- 1
Suhted ideaalse gaasi mudeli raames
- 1.1 Temperatuur, rõhk ja tihedus
- 1.2 Õhuniiskuse mõju
- 1.3 Kõrguse mõju merepinnast troposfääris
Märkmed
Sissejuhatus
Õhu tihedus- Maa atmosfääri gaasi mass ruumalaühiku kohta või õhu erimass looduslikes tingimustes. Väärtus õhu tihedus on tehtud mõõtmiste kõrguse, selle temperatuuri ja niiskuse funktsioon. Tavaliselt loetakse standardväärtuseks 1,225 kg ⁄ m 3 , mis vastab kuiva õhu tihedusele 15°C juures merepinnal.
Atmosfääri erinevate omaduste tõttu jaguneb see erinevatel kõrgustel asuvateks kihtideks. Maa pinnale lähimat kihti nimetatakse troposfääriks. See ulatub kuni 12 km keskmise kõrguseni. See kiht moodustab 80% atmosfääri kogumassist ja seal toimuvad peamised meteoroloogilised nähtused. Temperatuur langeb koos kõrgusega.
Kasvuhooneefekt on elusolendite jaoks loomulik ja hädavajalik nähtus. See hoiab ära Maa liigse soojuse kaotamise, mille tulemuseks on äärmuslikud temperatuurikõikumised. Inimtegevusest tingitud kasvuhoonegaaside heitkoguste suurenemisega katsetatakse globaalse temperatuuri tõusu.
1. Seosed ideaalse gaasi mudeli raames
|
1.1. Temperatuur, rõhk ja tihedus
Kuiva õhu tiheduse saab arvutada Clapeyroni võrrandi abil ideaalse gaasi jaoks antud temperatuuril (Inglise) vene keel ja surve:
Õhu värskendus keskkond võib liigitada kui. Loomulik või spontaanne ventilatsioon Dünaamiline ventilatsioon Termiline ventilatsioon. Positiivne rõhk Negatiivne rõhk. . Õhu hulk, mille ventilatsioonisüsteem peab lindla sisse tooma või sealt välja viima, sõltub ilmastikutingimustest ja lindude vanusest.
Loomulik või spontaanne ventilatsioon. See on normaalne õhu liikumine, mis võib tekkida tuule või temperatuuri mõjust tingitud rõhuerinevuste tõttu kahe kõnealuse keskkonna vahel. Tuule põhjuseks on atmosfäärirõhu erinevus maapinnal, mis omakorda on temperatuurimuutuste tagajärg.
Siin ρ - õhu tihedus, lk- absoluutne rõhk, R- kuiva õhu gaasi erikonstant (287,058 J ⁄ (kg K) ), T on absoluutne temperatuur kelvinites. Nii et asendamisel saame:
- Rahvusvahelise Puhta ja Rakenduskeemia Liidu standardatmosfääris (temperatuur 0 ° C, rõhk 100 kPa, õhuniiskus null) on õhu tihedus 1,2754 kg ⁄ m³;
- 20 °C, 101,325 kPa ja kuiva õhu juures on atmosfääri tihedus 1,2041 kg ⁄ m³.
Alljärgnev tabel näitab erinevaid õhuparameetreid, mis on arvutatud vastavate elementaarvalemite alusel, sõltuvalt temperatuurist (rõhuks on võetud 101,325 kPa)
Õhk voolab alati punktist kõrgsurve asja juurde madal rõhk. See tähendab, et paigaldise õhu kiirus on tuulepoolsetes avades alati suurem kui tuulealuses. Kuigi tuulte toime on katkendlik, põhjustab see horisontaalsuunas vapustavat survet. Kui õhuvool kaotab kiiruse, suureneb rõhk. Mida suurem on rõhuerinevus, seda suurem on õhu kiirus.
Joonis Rõhu skaleerimine horisontaalsuunas. Dünaamilist ventilatsiooni suurendavad avad, mis paiknevad mugavalt vastasseintes ja valitsevate tuulte suunas. Loomuliku ventilatsiooni toimumise kiirus sõltub tuule kiirusest ja suunast, takistuste (nt mäed või hooned) lähedusest ja suurusest ning õhu sisse- ja väljalaskeavade kujust ja asukohast.
1.2. Õhuniiskuse mõju
Niiskus viitab gaasilise veeauru esinemisele õhus, mille osarõhk ei ületa antud atmosfääritingimuste korral küllastunud auru rõhku. Veeauru lisamine õhku viib selle tiheduse vähenemiseni, mis on seletatav vee väiksema molaarmassiga (18 g ⁄ mol) võrreldes kuiva õhu molaarmassiga (29 g ⁄ mol). Niisket õhku võib pidada ideaalsete gaaside seguks, mille iga tiheduse kombinatsioon võimaldab saada nende segu jaoks vajaliku väärtuse. See tõlgendus võimaldab temperatuurivahemikus -10 °C kuni 50 °C määrata tiheduse väärtuse veatasemega alla 0,2% ja seda saab väljendada järgmiselt:
Kui tuul tabab ümbrist, võivad tekkida erinevad üle- ja alarõhualad. Normaalset atmosfäärirõhku ületav positiivne rõhk iseloomustab õhumassi liikumist vastu ümbrist ja õhumassi negatiivset külgetõmmet. Kuna õhk liigub madalama rõhu omast suurematest punktidest, siis kui linnumajas on augud, põhjustab positiivne rõhk õhumassi sisenemise läbi aukude ja keeldub lahkumast. Pole mõtet hoida auke samal tasapinnal, kuna võrdsed rõhud ei too kaasa õhuringlust.
kus on niiske õhu tihedus (kg ⁄ m³); lk d- kuiva õhu osarõhk (Pa); R d- kuiva õhu universaalne gaasikonstant (287,058 J ⁄ (kg K)); T- temperatuur (K); lk v- veeauru rõhk (Pa) ja R v- auru universaalne konstant (461,495 J ⁄ (kg K) ). Veeauru rõhku saab määrata suhtelise niiskuse järgi:
See tähendab, et tõhusa ventilatsiooni tagamiseks peavad ventilatsiooniavad olema vastasseintel. Seda tüüpi loomulikku ventilatsiooni tuntakse kui "ristventilatsiooni". Loomuliku ventilatsiooniga linnumajas, avades harja ja külgmised avaused, liigub õhk kõrgrõhupunktist madalrõhupunkti. Kui alarõhk katuseharjal on suurem kui allatuulepoolne rõhk, liigub õhk viimaselt avatud harjale.
Termoventilatsioonis põhjustavad temperatuuride erinevused õhu tiheduse muutusi ümbristes, mis põhjustab rõhu suunamise vertikaalsuunas väljatõmbe või termosifooni abil. See rõhuerinevus sõltub õhu temperatuuride erinevusest korpuse sees ja väljaspool, läbi laterna õhu sisse- ja väljalaskeavade suurusest ning lõpuks nende aukude tasemete erinevusest. Seda efekti nimetatakse ka "korstnaefektiks" ja loomuliku ventilatsiooniga ümbrise tõttu on see efekt olemas sõltumata välisõhu kiirusest.
kus lk v- veeauru rõhk; φ - suhteline õhuniiskus ja lk sat on küllastunud auru osarõhk, viimast võib esitada järgmise lihtsustatud avaldisena:
mis annab tulemuse millibaarides. Kuiva õhu rõhk lk d määratakse lihtsa erinevusega:
kus lk tähistab vaadeldava süsteemi absoluutset rõhku.
1.3. Kõrguse mõju merepinnast troposfääris
Rõhu, temperatuuri ja õhutiheduse sõltuvus kõrgusest võrreldes standardatmosfääriga ( lk 0 \u003d 101325 Pa, T0\u003d 288,15 K, ρ 0 \u003d 1,225 kg / m³).
Õhutiheduse arvutamiseks troposfääri teatud kõrgusel saab kasutada järgmisi parameetreid (standardatmosfääri väärtus on näidatud atmosfääri parameetrites):
- standardne atmosfäärirõhk merepinnal - lk 0 = 101325 Pa;
- standardne temperatuur merepinnal - T0= 288,15K;
- vaba langemise kiirendus üle Maa pinna - g\u003d 9,80665 m ⁄ sek 2 (nende arvutuste puhul peetakse seda kõrgusest sõltumatuks väärtuseks);
- temperatuuri languse kiirus (Inglise) vene keel kõrgusega, troposfääri sees - L= 0,0065 K ⁄ m;
- universaalne gaasikonstant - R\u003d 8,31447 J ⁄ (Mol K);
- kuiva õhu molaarmass - M= 0,0289644 kg ⁄ Mol.
Troposfääri jaoks (st lineaarse temperatuuri languse piirkond - see on siin kasutatud troposfääri ainus omadus) temperatuur kõrgusel hüle merepinna saab anda valemiga:
rõhk kõrgusel h:
Seejärel saab tiheduse arvutada, asendades antud kõrgusele h vastava temperatuuri T ja rõhu P valemis:
Neid kolme valemit (temperatuuri, rõhu ja tiheduse sõltuvus kõrgusest) kasutatakse paremal näidatud graafikute koostamiseks. Graafikud on normaliseeritud – need näitavad parameetrite üldist käitumist. "Null" väärtused õigete arvutuste jaoks tuleb iga kord asendada vastavalt asjakohaste instrumentide (termomeetri ja baromeetri) näitudele merepinnal.