A levegő sűrűsége különböző hőmérsékleteken képlet. A levegő páratartalmának hatása. Hőmérséklet, nyomás és sűrűség
Tenyésztett differenciál egyenletek(1.2, 1.4) olyan paramétereket tartalmaznak, amelyek egy folyadékot vagy gázt jellemzik: a sűrűséget r , viszkozitás m , valamint a paramétereket porózus közeg– porozitási együtthatók m és permeabilitás k . További számításokhoz ismerni kell ezeknek az együtthatóknak a nyomástól való függését.
Csökkenő folyadék sűrűség. A cseppfolyós folyadék folyamatos szűrésével annak sűrűsége nyomástól függetlennek tekinthető, azaz a folyadék összenyomhatatlannak tekinthető: r = állandó .
A nyomás a hőmérséklettel nő, mert a részecskék nagyobb mozgási energiával rendelkeznek. Képzeljünk el egy pattogó labdákkal teli dobozt, ha ezek a golyók gyorsabban kezdenek mozogni, a golyók erősebben ütik a doboz falát, így nagyobb erőt adnak a doboznak. A nyomás csak területenkénti erő, tehát ha az erő nő, de a doboz mérete változatlan marad, a nyomás nő.
A levegő sűrűsége csökkenhet a hőmérséklettel, ha a nyomás is csökken. Ha a nyomás állandó, ez nem fordulhat elő. Amikor összefüggést ad meg bármely két nyomás, sűrűség vagy hőmérséklet között, a harmadikat állandónak kell tartania, vagy meg kell adnia a viselkedését.
Átmeneti folyamatoknál figyelembe kell venni a folyadék összenyomhatóságát, melyre jellemző folyadék térfogati tömörítési arány b . Ezt az együtthatót általában állandónak tekintik:
Az utolsó egyenlőség integrálása a kezdeti nyomásértékekből p 0 és sűrűsége r0 az aktuális értékekhez kapjuk:
Például a meleg levegő felemelkedik, de miért hideg a hegy tetején. A válasz az, hogy a forró levegő kevésbé sűrű, mint a hideg levegő, amely körülveszi az állandó nyomást, és kevésbé sűrű, hogy felemelkedik. A hegyeknél a nyomás csökken, és a légkörben is azt tapasztaljuk, hogy a nyomás csökkenésével csökken a hőmérséklet.
A forró napon általában az történik, hogy a nap által felmelegített felület felmelegíti a légkör legalacsonyabb szintjét, csökkentve a sűrűségét. Ez végül konvekcióhoz vezet, és függőlegesen keveri össze ezt a meleg levegőt. Ha elegendő időt adunk, ez csökkenti a levegőoszlop tömegét, és ezáltal csökkenti a felületi nyomást. Ezeket "termikus mélypontoknak" nevezik, és sivatagi területeken láthatjuk őket, és szerepet játszanak a tengeri szellő kialakulásában és a monszunok kialakulásában.
Ebben az esetben a sűrűségnek a nyomástól való lineáris függését kapjuk.
A gázok sűrűsége. A kis nyomás- és hőmérsékletváltozással összenyomható folyadékok (gázok) térfogati kompressziós és hőtágulási együtthatókkal is jellemezhetők. De a nyomás és a hőmérséklet nagy változásainál ezek az együtthatók tág határok között változnak, így az ideális gáz sűrűségének nyomástól és hőmérséklettől való függése Claiperon–Mengyelejev állapotegyenletek:
Egy kiterjesztett kérdés megoldására. Repülési szinten állandó nyomású felületeken repülünk, amit aztán magasságra fordítunk. Bármely adott légköroszlopban, ha a normálnál melegebb, akkor az adott nyomásfelület magasabb, ha pedig hidegebb a szabványosnál, akkor a nyomás alacsonyabb lesz.
Ez a következő kérdésből következik. Az aneroid lemezek érzékelik a nyomásváltozásokat, a magasságmérő pedig a hőmérsékletre nem korrigált magasságot jelenít meg. Ez az oka annak, hogy az Ön valódi magassága változhat a hőmérséklet függvényében egy állandó jelentett magasság esetén. Amikor beállítja a hőmérséklet magasságát, ezt "sűrűségi magasságnak" nevezzük.
Ahol R' = R/M m a gázállandó, amely a gáz összetételétől függ.
A levegő és a metán gázállandója egyenlő, R΄ levegő = 287 J/kg K˚; R΄ metán = 520 J/kg K˚.
Az utolsó egyenletet néha így írják le:
(1.50) |
Az utolsó egyenletből látható, hogy a gáz sűrűsége függ a nyomástól és a hőmérséklettől, tehát ha ismert a gáz sűrűsége, akkor a gáz nyomását, hőmérsékletét és összetételét kell feltüntetni, ami kényelmetlen. . Ezért bevezetjük a normál és a standard fizikai feltételek fogalmát.
A nyomásfelület lassan emelkedni kezd, és miközben ezt teszi, még nem követi ezt az emelkedést, és a magasságmérő ereszkedést jelez. Valódi mezőben ebben az esetben magasabb nyomáson kezd el repülni, mivel a 900 mb-os felület föléd emelkedik, és a magasságmérőben lévő anoderoid lemez alacsonyabb magasságot és süllyedést jelez. Repülés közben azonban ezt nem igazán veszi észre, és egyszerűen minimalizálja a függőleges sebességet és fenntartja a magasságot, boldogan nem tudva, hogy valójában állandó nyomású lejtőn repül.
Normál körülmények megfelelnek a t = 0°C hőmérsékletnek és a p = 0,1013°MPa nyomásnak. A levegő sűrűsége normál körülmények között egyenlő ρ v.n.us = 1,29 kg / m 3.
Standard feltételek megfelelnek a t = 20°C hőmérsékletnek és a p = 0,1013°MPa nyomásnak. A levegő sűrűsége normál körülmények között ρ w.st.us = 1,22 kg / m 3.
Ezért az adott körülmények között ismert sűrűségből ki lehet számítani a gázsűrűséget más nyomás- és hőmérsékletértékeken:
Ennek jobb szemléltetéséhez vegye figyelembe a következő ábrát. Ezen a képen a vörösek melegebbet jelentenek, mint az átlagos légoszlop, a kékek pedig hidegebbet, mint a középső oszlop. A középső fehéres terület az oszlopot jelenti közepes hőmérsékleten. A fekete folytonos vonalak izobárok. A fekete fekete vonal a valódi magasság a felszín felett.
Figyelnie kell arra, hogy a meleg oszlopban a nyomásszintek távolabb vannak egymástól, mivel a levegő kevésbé sűrű, és több energiát igényel. Hasonlóképpen, egy hideg oszlopban a nyomásszintek közelebb vannak egymáshoz, mivel a levegő sűrűbb, mint a normál levegő.
A tározó hőmérsékletét figyelmen kívül hagyva megkapjuk az ideális gáz állapotegyenletét, amelyet a jövőben használni fogunk:
Ahol z - együttható, amely a valós gáz állapotának az ideális gázok törvényétől való eltérésének mértékét jellemzi (szuperkompressziós együttható), és egy adott gáz nyomásától és hőmérsékletétől függ z = z(p, T) . A szuperkompressziós együttható értékei z D. Brown grafikonjai határozzák meg.
Ahhoz, hogy ezt a fenti vitához kapcsolódhassa, tekintse magát a szaggatott vonallal ábrázolt standard oszlopban, a föld feletti valós magasságban. A magasságmérő nem érzékeli ezt a valódi magasságot, hanem a repülőgépen kívüli nyomást érzékeli. Ez nagyjából az Ön valódi magasságához lesz kalibrálva, de a helyi magasságmérő beállításával. Most, amikor balra vagy jobbra repül, és állandó jelzett magasságot tart, követni fogja a vastag vonalat, mivel ez a nyomás megfelel az Ön valódi magasságának normál ütemben.
Az olaj viszkozitása. A kísérletek azt mutatják, hogy az olaj (telítési nyomás feletti nyomáson) és a gáz viszkozitási együtthatója a nyomás növekedésével nő. Jelentős nyomásváltozások esetén (100 MPa-ig) a tározóolajok és földgázok viszkozitásának nyomásfüggősége exponenciálisnak tekinthető:
(1.56) |
Kis nyomásváltozások esetén ez a függés lineáris.
Amikor berepülsz egy hidegebb oszlopba, valójában le fogsz ereszkedni, és akkor fogsz mászni, amikor egy melegebb oszlopba repülsz. Jobban összenyomja a felesleges légtömeg, mint nagyobb magasságban: így a levegő sűrűbb. Mindig a levegőnek van a legnagyobb sűrűsége és nyomása a Földön – és a legnagyobb magas hőmérsékletű kivéve az inverziókat. Nagyobb magasságban a levegő egyre ritkul. Ha a hőmérséklet minden magasságban azonos lenne, a légnyomás és a levegő sűrűsége is csökkenne a magasság növekedésével, a gáztörvénynek megfelelően.
Itt m0 – viszkozitás rögzített nyomáson p0 ; β m - kísérletileg és az olaj vagy gáz összetételétől függően meghatározott együttható.
A képződés porozitása. Ahhoz, hogy megtudja, hogyan függ a porozitási együttható a nyomástól, vizsgáljuk meg a folyadékkal töltött porózus közegben fellépő feszültségek kérdését. Amikor a folyadékban a nyomás csökken, a porózus közeg vázára ható erők megnőnek, így a porozitás csökken.
A hőmérséklet azonban a különböző magasságokban nagyon változó. A légkör 90%-a 20 km alatt van. A légkör 70%-a 10 km-rel a tengerszint felett van. A légkör 55%-a 5 km-rel a tengerszint felett van. Mint látható, ezek a változók nagymértékben függenek a hőmérséklettől.
A levegő sűrűségének pontos meghatározása
A levegő pontos sűrűségének meghatározásához figyelembe kell venni a páratartalmat, mivel ez megváltoztatja a levegő gázállandóját. A gázállandó beállítása után az Eq. A nedves levegő gázállandóját a képlet segítségével számítjuk ki. Telített gőznyomás, vegye figyelembe a korlátozásokat. Az egyenlet a gőznyomást Pascalban adja meg. Alternatív megoldásként képlet.
A szilárd fázis kis alakváltozása miatt általában úgy tartják, hogy a porozitás változása lineárisan függ a nyomásváltozástól. A kőzet összenyomhatósági törvénye a következőképpen van felírva, bevezető képződés térfogati rugalmassági együtthatója b c:
Ahol m0 – porozitási együttható nyomáson p0 .
Különféle szemcsés kőzetekre vonatkozó laboratóriumi kísérletek és terepi vizsgálatok azt mutatják, hogy a képződmény térfogati rugalmassági együtthatója (0,3 - 2) 10 -10 Pa -1.
Használat; különösen pontos értékeket biztosít a panel. A légkör a bolygónkat körülvevő levegőréteg. Más bolygók bent Naprendszer hangulata is van. A légkört alkotó gázok a gravitáció vonzása miatt a Föld körül tartják, és kísérik annak mozgását.
A levegő sűrűsége a magasság növekedésével csökken, a szuszpenzióban lévő gázok és részecskék 50%-a az első 5 km-en található. A légkör alapvető fontosságú a földi élet fenntartásához, mert. Oxigénforrás, az élethez szükséges gáz, amely szabályozza a hőmérsékletet és a föld klímáját, amely felelős a víz eloszlásáért a bolygón, védi a Földet a kozmikus sugárzástól és a meteoroktól. Atmoszféra: Védőpajzsunk.
Jelentős nyomásváltozások esetén a porozitás változását a következő egyenlet írja le:
és nagy - exponenciális:
(1.61) |
A repedezett tározókban a permeabilitás a nyomástól függően intenzívebben változik, mint a porózusakban, ezért a repedezett tározókban a függőséget figyelembe véve k(p) szükségesebb, mint a szemcsésben.
A Föld atmoszférája függőleges profilja mentén különböző jellemzőket mutat, és körülbelül 000 km vastag. Az azt létrehozó levegőoszlop nyomást fejt ki, amelyet légköri nyomásnak neveznek. Mivel ez a levegő sűrűségétől függ, ahogy emelkedünk, a légköri nyomás csökken.
A légköri nyomás a földfelszín mentén is változik, ami a meteorológiai elemzés fontos változója. A légkör felelős a kék égbolt napközbeni megfigyeléséért is, mivel a kék ég részecskéi túlnyomórészt látható sugárzást szórnak ki ezen a hullámhosszon.
A képződményt telítő folyadék vagy gáz és a porózus közeg állapotegyenlete teszi teljessé a differenciálegyenlet-rendszert.
Absztrakt a témában:
Légsűrűség
Terv:
- Bevezetés
- 1
Kapcsolatok az ideális gázmodellben
- 1.1 Hőmérséklet, nyomás és sűrűség
- 1.2 A levegő páratartalmának hatása
- 1.3 A tengerszint feletti magasság hatása a troposzférában
Megjegyzések
Bevezetés
Légsűrűség- a Föld légkörének térfogategységre eső gáztömege vagy a levegő fajlagos tömege természetes körülmények között. Érték légsűrűség a mérés magasságának, hőmérsékletének és páratartalmának függvénye. Általában a standard érték 1,225 kg ⁄ m 3 , ami a száraz levegő sűrűségének felel meg 15°C-on a tengerszinten.
A légkör eltérő jellemzői miatt különböző magasságú rétegekre oszlik. A Föld felszínéhez legközelebb eső réteget troposzférának nevezzük. Átlagosan 12 km magasságig terjed. Ez a réteg a légkör teljes tömegének 80%-ának felel meg, és itt fordulnak elő a fő meteorológiai jelenségek. A hőmérséklet a magassággal csökken.
Az üvegházhatás az élőlények számára természetes és nélkülözhetetlen jelenség. Ez megakadályozza, hogy a Föld túl sok hőt veszítsen, ami extrém hőmérséklet-ingadozásokat eredményez. Az emberi tevékenységből származó üvegházhatású gázok kibocsátásának növekedésével a globális hőmérséklet emelkedését tesztelik.
1. Kapcsolatok az ideális gázmodellben
|
1.1. Hőmérséklet, nyomás és sűrűség
A száraz levegő sűrűsége a Clapeyron-egyenlet segítségével számítható ki ideális gázra adott hőmérsékleten (Angol) orosz és nyomás:
Levegő frissítés környezet kategóriába sorolható. Természetes vagy spontán szellőztetés Dinamikus szellőztetés Termikus szellőztetés. Pozitív nyomás Negatív nyomás. . Az időjárási viszonyoktól és a madarak életkorától függ, hogy a szellőzőrendszernek mennyi levegőt kell bevinnie vagy ki kell vennie a madárházból.
Természetes vagy spontán szellőztetés. Ez a levegő normális mozgása, amely a két szóban forgó közeg közötti szél vagy hőmérséklet hatására fellépő nyomáskülönbségek miatt következhet be. A szél oka a légköri nyomáskülönbség a talajszinten, ami viszont a hőmérsékletváltozás következménye.
Itt ρ - levegő sűrűsége, p- abszolút nyomás, R- fajlagos gázállandó száraz levegőre (287,058 J ⁄ (kg K) ), T az abszolút hőmérséklet Kelvinben. Tehát helyettesítéssel a következőket kapjuk:
- a Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója szabványos atmoszférájában (hőmérséklet 0 ° C, nyomás 100 kPa, nulla páratartalom) a levegő sűrűsége 1,2754 kg ⁄ m³;
- 20 °C-on, 101,325 kPa nyomáson és száraz levegőn a légkör sűrűsége 1,2041 kg ⁄ m³.
Az alábbi táblázat különböző levegőparamétereket mutat be a megfelelő elemi képletek alapján, a hőmérséklettől függően (a nyomást 101,325 kPa-nak vesszük)
A levegő mindig egy pontból áramlik magas nyomású lényegre törő alacsony nyomás. Ez azt jelenti, hogy a beépítésben a légsebesség mindig nagyobb a szél felőli nyílásokban, mint a széloldali nyílásokban. A szelek hatása, bár szakaszos, vízszintes irányban elképesztő nyomást okoz. Amikor a légáram sebessége csökken, a nyomás nő. Minél nagyobb a nyomáskülönbség, annál nagyobb a levegő sebessége.
ábra Nyomásskálázás vízszintes irányban. A dinamikus szellőzést a szemközti falakban kényelmesen elhelyezett nyílások javítják az uralkodó szél irányában. A természetes szellőzés sebessége a szél sebességétől és irányától, az akadályok (például hegyek vagy épületek) közelségétől és méretétől, valamint a levegő be- és kilépőnyílásainak alakjától és elhelyezkedésétől függ.
1.2. A levegő páratartalmának hatása
A páratartalom olyan gáznemű vízgőz jelenlétét jelenti a levegőben, amelynek parciális nyomása nem haladja meg az adott légköri viszonyok mellett a telített gőznyomást. A vízgőz hozzáadása a levegőhöz a sűrűség csökkenését okozza, ami a víz kisebb moláris tömegével (18 g ⁄ mol) magyarázható a száraz levegő moláris tömegéhez (29 g ⁄ mol) képest. A nedves levegő ideális gázok keverékének tekinthető, amelyek sűrűségének kombinációja lehetővé teszi a keverékükhöz szükséges érték elérését. Ez az értelmezés lehetővé teszi a sűrűségérték meghatározását 0,2%-nál kisebb hibaszinttel a -10 °C és 50 °C közötti hőmérséklet-tartományban, és a következőképpen fejezhető ki:
Amikor a szél eléri a burkolatot, különböző pozitív és negatív nyomású területek alakulhatnak ki. A normál légköri nyomást meghaladó pozitív nyomás jellemzi a légtömeg burkolattal szembeni mozgását és a légtömeg negatív vonzását. Mivel a levegő az alacsonyabb nyomásnál nagyobb pontokról mozog, ha lyukak vannak a madárházban, a pozitív nyomás hatására levegőtömeg lép be a lyukakon keresztül, és nem hajlandó elhagyni. Nincs értelme ugyanabban a síkban lévő lyukaknak, mivel az egyenlő nyomások nem vezetnek levegőkeringéshez.
ahol a nedves levegő sűrűsége (kg ⁄ m³); p d- száraz levegő parciális nyomása (Pa); R d- univerzális gázállandó száraz levegőre (287,058 J ⁄ (kg K)); T- hőmérséklet (K); p v- vízgőznyomás (Pa) és R v- univerzális állandó gőzre (461.495 J ⁄ (kg K) ). A vízgőznyomás a relatív páratartalomból határozható meg:
Ez azt jelenti, hogy a szellőzőnyílásoknak a szemközti falakon kell lenniük a hatékony szellőzés érdekében. Az ilyen típusú természetes szellőzést "keresztszellőztetésnek" nevezik. A madárházban természetes szellőztetéssel a gerinc és az oldalsó nyílások kinyitásával a levegő a magas nyomású pontról az alacsony nyomású pontra áramlik. Ha a gerincre gyakorolt negatív nyomás nagyobb, mint a hátoldali negatív nyomás, akkor az utóbbiról a levegő a nyitott gerincre áramlik.
A termikus szellőztetésben a hőmérséklet-különbségek változást okoznak a burkolatok levegőjének sűrűségében, ami miatt a nyomást egy elszívó vagy termoszifon függőleges irányban irányítja. Ez a nyomáskülönbség függ a burkolaton belüli és kívüli levegő hőmérséklet-különbségétől, a lámpán keresztül be- és kilépő levegő nyílásainak méretétől, és végül a lyukak közötti szintkülönbségtől. Ezt a hatást "kéményhatásnak" is nevezik, és a természetes szellőzés miatt ez a hatás a külső levegő sebességétől függetlenül fennáll.
Ahol p v- vízgőznyomás; φ - relatív páratartalom és p sat a telített gőz parciális nyomása, ez utóbbi a következő egyszerűsített kifejezéssel ábrázolható:
ami millibarban adja meg az eredményt. Száraz levegő nyomása p d egy egyszerű különbség határozza meg:
Ahol p a vizsgált rendszer abszolút nyomását jelöli.
1.3. A tengerszint feletti magasság hatása a troposzférában
A nyomás, a hőmérséklet és a levegő sűrűségének függése a tengerszint feletti magasságtól a standard légkörhöz képest ( p 0 \u003d 101325 Pa, T0\u003d 288,15 K, ρ 0 \u003d 1,225 kg / m³).
A következő paraméterek használhatók a levegő sűrűségének kiszámításához a troposzférában egy bizonyos magasságban (a standard légkör értéke a légköri paraméterekben van feltüntetve):
- szabvány légköri nyomás tengerszinten - p 0 = 101325 Pa;
- normál hőmérséklet a tengerszinten - T0= 288,15 K;
- a szabadesés gyorsulása a Föld felszínén - g\u003d 9,80665 m ⁄ sec 2 (ezeknél a számításoknál a magasságtól független értéknek tekintendő);
- hőmérsékletcsökkenés sebessége (Angol) orosz magassággal, a troposzférán belül - L= 0,0065 K ⁄ m;
- univerzális gázállandó - R\u003d 8,31447 J⁄ (Mol K);
- száraz levegő moláris tömege - M= 0,0289644 kg ⁄ Mol.
A troposzféra (azaz a lineáris hőmérsékletcsökkenés tartománya - ez a troposzféra itt használt egyetlen tulajdonsága) a magassági hőmérséklet h a tengerszint feletti képlettel megadható:
nyomás a magasságban h:
Ekkor a sűrűség kiszámítható úgy, hogy az adott h magasságnak megfelelő T hőmérsékletet és P nyomást behelyettesítjük a képletbe:
Ez a három képlet (a hőmérséklet, a nyomás és a sűrűség függése a magasságtól) szolgál a jobb oldalon látható grafikonok összeállításához. A grafikonok normalizáltak – a paraméterek általános viselkedését mutatják. A helyes számításokhoz szükséges „nulla” értékeket minden alkalommal a megfelelő műszerek (hőmérő és barométer) leolvasásaival összhangban, a tengerszinten pillanatnyilag le kell cserélni.