www.albrecht57.de -
Термики
Математико-физическо разглеждане на основите на адиабатните промени в състоянието
Да, знам, ужасно чудовище! И сякаш това не е достатъчно, има и влажен адиабатичен градиент на издигане и накрая градиент на стратификация. Ако обаче искате да отидете високо в спортната авиация без мотор (или да останете там възможно най-дълго), трябва поне да имате представа за тези неудобни термини и да знаете контекста им.
Виждаме промяна само вечерта на летния ни ден, когато слънцето залязва като червена топка. Сега пътят на слънчевите лъчи през атмосферата е много по-дълъг от пладне и освен това, поради плоския ъгъл на падане на слънчевите лъчи върху въздушната обвивка, някои от тези лъчи се отразяват обратно в космоса като огледало. По-специално, късо вълновата синя слънчева светлина се сбогува по този начин и червената част на лъчението се увеличава съответно. През деня слънчевата светлина прониква безпрепятствено през невидимата атмосфера и само затопля земята на дъното на океана на въздуха, докато самият въздух не се затопля от слънчевите лъчи. Това явление може да се провери и в малък мащаб със слънчево греене на всеки прозорец: Докато прозрачното стъкло остава относително хладно, дограмата на прозорците отвън се нагрява значително, в зависимост от цвета. Загрятата по този начин земя сега действа като нагревателна плоча и загрява въздуха над нея. И колкото повече се придвижваме от този източник на топлина към по-големи височини, толкова по-студено става.
Градиентът на стратификацията
Според стандартната атмосфера на ICAO имаме средна температура от 15 ° C на морското равнище и средна температура от -56,5 ° C в края на тропосферата на 11 km. Това прави понижаване на температурата от 71,5 ° C до 11 000 m или 36 000 ft. Ако преобразувате това в по-малки интервали от височина, получавате 0,65 ° C на 100 m или 2 ° C на 1000 ft. човек съвестно, че понижаването на температурата до тропопаузата в никакъв случай не е толкова равномерно, но прави ясни скокове от време на време. Човек е доволен от тази средна стойност от 0,65 ° C на 100 m и го нарича градиент на стратификация на ICAO.
Следователно градиентът на стратификацията е статистическа средна стойност за наклона на температурната крива в атмосферата и лесно можете да изчислите например това от приятелските 20 ° C в Гармиш-Партенкирхен на височина 800 m на върха на Zugspitze на височина 3000 m остават хладни 5 ° C. Ако всъщност се качим с кабинковия лифт и държим термометър през прозореца, той ще покаже температурна стойност, която е с 0,65 ° C по-ниска на всеки 100 метра.
Въздушни колети в раницата
Нека вземем добре опакован кубичен метър въздух със себе си по пътя си към Цугшпитце, независимо дали пеша, със зъбчатата железница или в удобната кабинкова линия. Добре опакованите трябва да означават, че ние избираме опаковки, които напълно изолират въздушния пакет и по този начин не пропускат топлина навътре или навън. От друга страна, тази опаковка трябва да бъде безтегловна, гъвкава и разширяема, както се изисква, така че нашият въздушен пакет винаги да разполага с необходимия обем, без да се компресира или разкъсва. Физикът нарича това състояние на перфектна топлоизолация адиабатично, което обяснява малка, но съществена част от горната дума чудовище.
По пътя нагоре външното въздушно налягане непрекъснато намалява. Въздушното налягане се генерира от теглото на въздушните маси над нас. Колкото по-високо се изкачваме, толкова по-малко въздух има над нас и по-ниско налягане, което създава. Ние, хората, усещаме такива постепенни промени във въздушното налягане, само когато имаме настинка и най-вече когато въздушното налягане се повишава отново, когато слизаме. След това трябва да преглъщаме често, за да премахнем натиска от ушите. Намаляването на въздушното налягане с надморска височина може да се изчисли, като се използва международната формула за надморска височина:
1013.25hPa е налягането върху земята на морското равнище. Ако въведете желаната височина в км за час, формулата изчислява налягането на тази височина.
По време на изкачването, нашият въздушен пакет реагира на намаляващото външно въздушно налягане: той се разширява и става по-голям. Въздух, който се разширява, но се охлажда! Нашият хладилник работи по този принцип и вероятно вече сме забелязали обратния ефект при надуване на гума, ако направихме това на ръка с въздушна помпа и не използвахме компресор. Въздушната помпа се затопля! Разбира се, компресорът също се затопля, поради което не трябва да докосваме цилиндъра му по време на работа, за да не изгорим пръстите си! Това ежедневно преживяване ни учи, че въздухът се нагрява чрез компресия. Обратният случай може да бъде доказан и чрез отваряне на клапана на напълнения контейнер на компресора: Клапанът става по-студен и по-студен поради изтичането на въздуха, влагата в околния въздух се кондензира върху него и, ако има достатъчно голямо подаване на въздух, може да се образува слана. В крайна сметка такива игри могат дори да охладят въздуха до такава степен, че да стане течен! Ако не вярвате, посетете Deutsches Museum в Мюнхен, за да се уверите сами!
Разширяването означава охлаждане
Нашата въздушна пратка не само става по-голяма, но и по-студена поради това разширяване. Охлаждането идва само от процеса на разширяване поради намаляването на налягането, а не от околната среда, която също става все по-студена; В крайна сметка го имаме 100% топлоизолиран! Това охлаждане може също да бъде изчислено:
С изключение на степента, формулата изглежда доста безобидна: Температурните условия са свързани с условията на налягане. Трябва обаче да вземем предвид и топлинния капацитет на съответния газ, т.е. въздуха. Топлинният капацитет показва колко се увеличава температурата на дадено вещество, когато то се доставя с енергия. При определено количество вещество с голям топлинен капацитет се изисква повече енергия за едно и също повишаване на температурата, отколкото за същото количество вещество с малък топлинен капацитет. Например, за да загреете 1 кг дърво на 10 ° C, са ви необходими около 25 kJ. Един килограм желязо изисква само 4,5 kJ за същото повишаване на температурата. За да загреем един литър вода с 10 ° C, са ни необходими почти 42 kJ. Специфичният топлинен капацитет на дадено вещество показва, съвсем образно казано, способността му да абсорбира енергия, без да "издава" това чрез рязко повишаване на температурата.
Газовете също имат такъв специфичен топлинен капацитет и не само един, а два! Ако добавите енергия към газ, така че температурата му да се повиши, той ще се разшири, доколкото може, т.е.увеличи обема си при същото налягане. Ако обаче загряващият газ се заключи във фиксиран обем, той реагира с повишаване на налягането. Тъй като забавното е: В зависимост от газа има различен специфичен топлинен капацитет:
В първия случай, т.е.при увеличаване на обема и постоянното налягане, въздухът има специфичен топлинен капацитет от 1,005. В този случай са необходими около 10 kJ, за да се загрее 1 kg въздух с 10 ° C. Ако обемът остане постоянен по време на нагряване, така че налягането да се увеличи, специфичният топлинен капацитет на въздуха е само 0,717. Така че сега са необходими само 7,1 kJ, за да се загрее същото количество въздух с 10 ° C.
В случай на адиабатни промени в състоянието на газовете, коефициентът на двата специфични топлинни капацитета често играе роля; той е 1.402 и е представен във формулата от малката гръцка капа.
Намаляване на температурата на превозвания въздушен колет
Вече имаме всички формули, които са ни необходими, за да изчислим понижението на температурата в транспортирания и добре изолиран ни въздушен пакет: С международната формула за височина определяме намаляването на налягането с височина и втората формула ни позволява да заключим за намаляването на температурата. Разбира се, ние не правим тези изчисления на ръка, за какво са електронните таблици?
Налягане на морското равнище
Височина над началната височина
Температура в K
Температура в ° C
Потребителските записи се правят само в трите полета с жълт фон, всички останали стойности се изчисляват в зависимост от това. В горния пример се въвеждат стандартните стойности на ICAO и можете ясно да видите как налягането и температурата на превозвания от нас въздушен колет намаляват с увеличаване на надморската височина. Изумително е, че понижението на температурата е почти линейно, въпреки че използваните формули съдържат много "криви" показатели. Намаляването на температурата на транспортирания въздушен парцел е почти 1 ° C на 100 m височина и това е точно сухият градиент на ададиабатично издигане!
Сухият адиабатичен градиент на издигане
Нарича се градиент "повдигане", тъй като транспортираме въздушния пакет нагоре и по този начин го повдигаме механично. Това е адиабатен градиент на издигане, защото благодарение на нашата оптимална опаковка предотвратяваме всякаква енергия и по този начин топлообмен с околната среда. И накрая, тя е суха, защото опаковахме напълно сух въздушен пакет в Гармиш без кондензираща водна пара. Каква е температурата на нашия въздушен пакет, когато най-накрая достигнем върха? В следващата таблица данните, вече приети по-горе за Garmisch-Partenkirchen, се въвеждат като изходни стойности, а именно 20 ° C на височина 800 m. С тези стойности ние основно опаковахме въздуха си.
Налягане на морското равнище
Височина над началната височина
На върха на 3000 м надморска височина достига -1,64 ° C, така че е почти 7 ° C по-студен от околния въздух в Schneefernerhaus. Поради градиента на стратификацията бяхме определили околната температура около + 5 ° C. Свързаната таблица EXCEL се нарича adiabate.xls. Това означава, че всеки може да варира началните стойности по желание и да наблюдава ефектите. Удивително е, че температурните стойности и по този начин температурните разлики не се променят, ако QNH, т.е.налягането на морското равнище, се промени.
Влажен въздух
Но какво, ако бяхме натъпкали влажен въздух? Ако има сух адиабатичен градиент на издигане, мокър адиабатен със сигурност не е далеч! За да обясним същото обаче, трябва да се върнем малко назад:
Водата е много важен фактор за времето. Не е пресилено да се каже, че без вода няма да има време! Водата се среща във всичките три агрегатни състояния в атмосферата: течно, газообразно и твърдо. Старо заблуждение е, че облаците се състоят от водна пара, защото водната пара е невидима! Ако имате проблеми с това, погледнете много внимателно, когато Майка отпарва от Sicomatic в кухнята. Директно на изходната точка и 2-3 см след това не можете да видите нищо! Облаци мъгла започват да се образуват само на по-голямо разстояние от саксията. Сега парите с гореща вода вече са кондензирани обратно в течна вода поради относително хладната среда. И така, това, което виждате, са мънички капчици вода! Така че въздухът може много добре да съдържа водни пари (т.е. газообразна вода), без да го виждаме. Така че, когато видим нещо, това винаги е течна вода. Следователно облаците се състоят от течна или дори замразена вода на малки капчици или кристали.
За нашите допълнителни съображения преходите между трите държави представляват особен интерес. Така че нека да разгледаме какво се случва, когато водата се изпарява. За да проследим тези явления, освен казан с вода на печката ни е необходим само термометър. Всички знаят, че температурата на водата се повишава, когато включим печката. Добавяме енергия, така че температурата на нагретия материал се увеличава в зависимост от специфичния топлинен капацитет. Вече споменахме по-горе, че 1 кг вода изисква около 42 kJ енергия за повишаване на температурата с 10 ° C. В миналото, когато всичко беше много по-добре, слабите жени преброяваха калории по време на хранене, а физиците - калории (калориите, а не жените!). Това бяха дните! Старата енергийна единица „калория“ всъщност е „калибрирана“ спрямо водата и осигурява много по-добри стойности от новомодния джаул. Следователно за кратко се връщаме в онези стари, красиви времена, току-що направеното изчисление гласи: За да загреете 1 кг вода с 10 ° C, имате нужда от количество енергия от 10 килокалории. Или, което е абсолютно същото: 1 килокалория за 1 ° C на кг.
Ако поставим нашата тенджера с един килограм 20 ° C студена вода на печката, са ни необходими 80 килокалории, за да загреем това количество до 100 ° C. Ние можем лесно да определим това повишаване на температурата с нашия термометър: Той се повишава бавно, но стабилно. Както всички вярват, водата кипи при тази температура, така че процесът на изпаряване е в разгара си. Вря и кипи, плочата на печката все още стреля на най-високо ниво, само термометърът ни вече не дърпа. Той остава вкоренен при 100 ° C!
Източник на енергия водна пара
Поне сега трябва да започнем да размишляваме: къде отиват всички онези красиви и скъпи калории, които все още доставя плота на печката? Те вече не са подходящи за повишаване на температурата на водата, както доказва термометърът. Тази енергия също не може да си отиде; това се предотвратява от принципа за запазване на енергията. Единственият процес, който остава сега, е процесът на изпаряване и точно това отнема всички калории. Необходимо е невероятно количество енергия, за да се превърне течната вода в пара със същата температура. Ако искаме да изпарим целия литър вода, трябва да похарчим почти 600 килокалории за него. За сравнение, изчислените 80 килокалории за загряване изглеждат направо нелепо!
Тази енергия сега е в парата. Ако го оставим да се кондензира отново, точно това количество енергия отново се отделя като топлина на кондензация. На първо място, водната пара е достоен източник на енергия. Второ, има изключително балансиращ ефект, тъй като поглъща много енергия по време на излишък и може да я освободи отново по време на дефицит. Без водни пари или без способността им да съхранява енергия, ще имаме много по-явни температурни разлики на земята.
Водни пари във въздуха
Водата, която се изпарява в саксията или на повърхността на земята, се издига високо в атмосферата и е във въздуха като невидим воден газ. Той става видим през хладните нощи, когато се отлага в течна форма като роса върху тревата и прозорците на автомобила. Ако не искате да излизате на студа, можете да поръчате студена бира в кръчмата си и след това да наблюдавате същия феномен на чашата си. От това научаваме, че въздухът също отделя съдържащите се в него водни пари при ниски температури. Много живописно можем да си представим въздуха като гъба, която може да абсорбира и съхранява водата, но също така да я оставя да капе отново. Капацитетът за съхранение на нашата въздушна гъба зависи единствено от нейната температура: колкото по-висока е температурата на въздуха, толкова повече водна пара може да поеме. Съществува грубо, но все пак достатъчно правило за този „капацитет за съхранение“ на въздуха: Един кубичен метър въздух може да абсорбира максимум толкова водна пара в грамове, колкото съответства на температурата му в ° C. Накратко: 1 кубичен метър въздух при 10 ° C може да абсорбира максимум 10 g водна пара; ако искаме да поберем 20 g водна пара, въздухът трябва да е поне 20 ° C топъл.
Обратно към Гармиш
Нека опаковаме още един кубичен метър въздух при 20 ° C в нашата феноменална изолационна втулка в Garmisch. Но този път вземаме такъв, който съдържа точно 10 г водна пара. Тъй като можем лесно да изчислим (1 ° C/100 m) или да погледнем в таблицата по-горе, трябва да изкачим точно 1000 m, докато въздушният ни пакет не се охлади до 10 ° C. Въпреки че във въздуха вече има пара, в началото можем лесно да се преструваме, че е напълно суха. Докато съдържащата се вода се съдържа изключително като невидим газ, това изобщо не оказва влияние върху направените преди това съображения и изчисления.
Ако обаче се изкачим по-високо и въздухът се охлади допълнително, съдържащите се водни пари вече не могат да се задържат, тъй като за 10 g пара е необходима температура на въздуха от поне 10 ° C. Всяко по-нататъшно охлаждане води до кондензация на излишната пара. Ако нашата супер черупка също е прозрачна, виждаме, че сега носим малък облак нагоре по планината. По време на тази кондензация, кондензационната топлина, съхранявана в парата, се отделя отново. Това означава, че въздушният парцел вече не се охлажда с 1 ° C на 100 m разлика във височината по следващия път нагоре. Намаляването на температурата е по-ниско поради енергията от кондензиращата водна пара и е между 0,3 и 0,9 ° C в зависимост от съдържанието на водни пари и началната температура; Очакваме средно 0,6 ° C. Това е мокрият адиабатичен градиент на издигане.
За да "продължим" примера по-нататък: Ако изкачим останалите 1200 m до върха и транспортираният въздух се охлади само с 0,6 ° C на 100 m, нашият въздушен пакет е на +2,8 ° C в горната част Въпреки че все още е по-студен от околния въздух, той все още е значително по-топъл от парцела, който преди това е бил транспортиран сух.
Обсъжданите градиенти винаги показват размера на понижаване на температурата с увеличаване на надморската височина. Първо трябва да се направи разлика дали измерваме понижението на температурата в статичен слой въздух, където става по-студено на по-голяма надморска височина, просто защото сме все по-далеч от „нагревателната плоча“ на земята. В другия случай ние вдигаме въздуха механично. Въздухът става по-студен, защото се разширява. Тук трябва да се направи разлика дали повдигнатият въздух е сух (т.е. без видима кондензация) или влажен.
Намаляване на температурата на въздуха в покой.