www.albrecht57.de -
Termale
O considerație matematică-fizică a fundamentelor schimbărilor de stare adiabatice
Da, știu, un monstru teribil! Și de parcă nu ar fi fost de ajuns, există și un gradient de ridicare adiabatică umedă și în cele din urmă gradientul de stratificare. Cu toate acestea, dacă doriți să vă ridicați în aviația sportivă fără un motor (sau să rămâneți acolo cât mai mult timp posibil), ar trebui să aveți cel puțin o idee despre acești termeni greoi și să cunoașteți relațiile lor.
Vedem o schimbare doar în seara zilei noastre de vară, când soarele apune ca o minge roșie. Acum traseul razelor soarelui prin atmosferă este mult mai lung decât la prânz și, în plus, datorită unghiului plat de incidență al razelor soarelui pe plicul de aer, unele dintre aceste raze sunt reflectate înapoi în spațiu ca o oglindă. În special, lumina soarelui albastru cu unde scurte trece în acest fel și porțiunea roșie a radiației crește în consecință. În timpul zilei, lumina soarelui pătrunde nestingherită prin plicul de aer invizibil și încălzește solul doar în fundul oceanului de aer, în timp ce aerul în sine nu este încălzit de razele soarelui. Acest fenomen poate fi, de asemenea, verificat la scară mică, cu soare la fiecare fereastră: În timp ce sticla transparentă rămâne relativ rece, ramele ferestrelor din exterior s-au încălzit considerabil, în funcție de culoare. Pământul încălzit în acest fel acționează acum ca o placă de încălzire și încălzește aerul de deasupra acestuia. Și cu cât trecem mai departe de această sursă de căldură la înălțimi mai mari, cu atât se face mai frig.
Gradientul de stratificare
Conform atmosferei standard ICAO, avem o temperatură medie de 15 ° C la nivelul mării și o temperatură medie de -56,5 ° C la capătul troposferei la 11 km. Aceasta face ca o temperatură să scadă de 71,5 ° C la 11.000 m sau 36.000 ft. Dacă convertiți acest lucru la intervale de altitudine mai mici, veți obține 0,65 ° C la 100 m sau 2 ° C la 1000 ft. Ignorat cineva conștient că temperatura scade până la tropopauză nu este nicidecum atât de uniformă, dar face salturi clare din când în când. Unul este mulțumit de această valoare medie de 0,65 ° C la 100 m și o numește gradientul de stratificare ICAO.
Gradientul de stratificare este deci o valoare medie statistică pentru panta curbei de temperatură în atmosferă și puteți calcula cu ușurință, de exemplu, că din prietenosul 20 ° C din Garmisch-Partenkirchen la o altitudine de 800 m pe vârful Zugspitze la o altitudine de 3000 m se lasă la rece 5 ° C. Dacă de fapt urcăm cu telecabina și ținem un termometru pe fereastră, aceasta ar arăta o valoare a temperaturii cu 0,65 ° C mai mică la fiecare 100 de metri.
Pachete aeriene în rucsac
Să luăm un metru cub de aer bine ambalat cu noi în drumul spre Zugspitze, fie pe jos, cu trenul cu roată dințată sau în telecabina confortabilă. Bine ambalate ar trebui să însemne că alegem ambalaje care izolează complet pachetul de aer și, prin urmare, nu lasă să intre nici o căldură. Pe de altă parte, acest ambalaj ar trebui să fie fără greutate, flexibil și extensibil după cum este necesar, astfel încât pachetul nostru de aer să aibă întotdeauna volumul de care are nevoie fără a fi comprimat sau despărțit. Fizicianul numește această stare de izolație termică perfectă adiabatică, ceea ce ar explica o parte mică, dar esențială a cuvântului monstru de mai sus.
La urcare, presiunea aerului extern scade continuu. Presiunea aerului este generată de greutatea maselor de aer de deasupra noastră. Cu cât urcăm mai sus, cu atât este mai puțin aer peste noi și cu atât este mai mică presiunea pe care o creează. Noi, oamenii, simțim astfel de schimbări treptate ale presiunii aerului doar atunci când avem răceală și mai ales când presiunea aerului crește din nou atunci când coborâm. Apoi trebuie să înghițim frecvent, astfel încât presiunea din urechile noastre să dispară. Scăderea presiunii aerului cu altitudinea poate fi calculată utilizând formula internațională a altitudinii:
1013.25hPa este presiunea pe sol la nivelul mării. Dacă introduceți altitudinea dorită în km pentru h, formula calculează presiunea la această altitudine.
În timpul ascensiunii, coletul nostru de aer reacționează la presiunea aerului extern în scădere: se extinde și devine mai mare. Aer care se extinde, dar devine mai rece! Frigiderul nostru funcționează conform acestui principiu și probabil că am observat deja efectul opus atunci când umflați o anvelopă, dacă am făcut acest lucru manual cu o pompă de aer și nu am folosit un compresor. Pompa de aer se încălzește! Desigur, și compresorul se încălzește, motiv pentru care nu ar trebui să atingem cilindrul acestuia în timpul funcționării pentru a evita arderea degetelor! Această experiență de zi cu zi ne învață că aerul este încălzit prin compresie. Cazul opus poate fi dovedit și prin deschiderea supapei de pe recipientul compresorului umplut: Supapa devine mai rece și mai rece datorită aerului care curge, umezeala din aerul înconjurător se condensează pe ea și dacă există o cantitate suficientă de aer, se poate forma îngheț. În cele din urmă, astfel de jocuri pot chiar răci aerul atât de mult încât să devină lichid! Dacă nu o crezi, vizitează Deutsches Museum din München pentru a o vedea singur!
Extinderea înseamnă răcire
Coletul nostru aerian nu numai că devine mai mare, ci și mai rece datorită acestei extinderi. Răcirea provine doar din procesul de expansiune datorită scăderii presiunii și nu din mediul înconjurător, care, de asemenea, devine mai rece; La urma urmei, îl avem 100% izolat termic! Această răcire poate fi calculată și:
Cu excepția exponentului, formula pare destul de inofensivă: condițiile de temperatură sunt legate de condițiile de presiune. Cu toate acestea, trebuie să luăm în considerare și capacitatea de căldură a gazului implicat, adică aerul. Capacitatea de căldură indică cât de mult crește temperatura unei substanțe atunci când este alimentată cu energie. Cu o anumită cantitate de substanță cu o capacitate termică mare, este necesară mai multă energie pentru aceeași creștere a temperaturii decât pentru aceeași cantitate de substanță cu o capacitate termică mică. De exemplu, pentru a încălzi 1 kg de lemn cu 10 ° C, aveți nevoie de aproximativ 25 kJ. Un kg de fier necesită doar 4,5 kJ pentru aceeași creștere a temperaturii. Pentru a încălzi un litru de apă cu 10 ° C, avem nevoie de aproape 42 kJ. Capacitatea specifică de căldură a unei substanțe indică, destul de figurat vorbind, capacitatea sa de a absorbi energia fără a „trăda” aceasta printr-o creștere bruscă a temperaturii.
Gazele au, de asemenea, o capacitate de căldură atât de specifică și nu doar una, ci două! Dacă adăugați energie unui gaz, astfel încât temperatura acestuia crește, acesta se va extinde cât de mult poate, adică își va mări volumul la aceeași presiune. Cu toate acestea, dacă gazul de încălzire este blocat într-un volum fix, acesta reacționează cu o creștere a presiunii. Lucrul amuzant este: În funcție de situație, gazul are o capacitate termică specifică diferită:
În primul caz, adică cu creșterea volumului și a presiunii constante, aerul are o capacitate termică specifică de 1,005. În acest caz, este nevoie de aproximativ 10 kJ pentru a încălzi 1 kg de aer cu 10 ° C. Dacă volumul este lăsat constant în timpul încălzirii, astfel încât presiunea crește, capacitatea specifică de căldură a aerului este de numai 0,717. Deci, acum sunt necesare doar 7,1 kJ pentru a încălzi aceeași cantitate de aer cu 10 ° C.
În cazul modificărilor adiabatice ale stării gazelor, coeficientul celor două capacități specifice de căldură joacă adesea un rol; este 1,402 și este reprezentat în formulă de micul kappa grecesc.
Scăderea temperaturii coletului de aer transportat
Acest lucru înseamnă că avem deja toate formulele de care avem nevoie pentru a calcula scăderea temperaturii în pachetul nostru de aer transportat și bine izolat: Cu formula internațională a înălțimii, determinăm scăderea presiunii cu înălțimea și, folosind a doua formulă, deducem scăderea temperaturii. Desigur, nu facem aceste calcule manual, la ce servesc sistemele de foi de calcul?
Presiunea la nivelul mării
Înălțimea peste înălțimea de pornire
Temperatura în K
Temperatura în ° C
Intrările utilizatorilor se fac numai în cele trei câmpuri cu fundal galben, toate celelalte valori sunt calculate în funcție de acest lucru. În exemplul de mai sus, sunt introduse valorile standard ICAO și puteți vedea clar cum presiunea și temperatura parcelei noastre de aer transportate scad odată cu creșterea altitudinii. Este uimitor faptul că scăderea temperaturii este aproape liniară, deși formulele utilizate conțin exponenți foarte „strâmbi”. Scăderea temperaturii pachetului de aer transportat este de aproape 1 ° C la 100 m diferență de altitudine și acesta este exact gradientul de ridicare adadiabatic uscat!
Gradientul de ridicare adiabatic uscat
Se numește gradientul de "ridicare", deoarece transportăm pachetul de aer în sus și, astfel, îl ridicăm mecanic. Este un gradient de ridicare adiabatic deoarece, datorită ambalajului nostru optim, prevenim orice energie și, astfel, schimbul de căldură cu mediul înconjurător. Și, în cele din urmă, este uscat, deoarece am ambalat un pachet de aer complet uscat în Garmisch, fără ca vaporii de apă să se condenseze deja. Care este temperatura pachetului nostru de aer când ajungem în cele din urmă la vârf? În tabelul următor, datele deja asumate mai sus pentru Garmisch-Partenkirchen sunt introduse ca valori inițiale, și anume 20 ° C la o altitudine de 800 m. Cu aceste valori ne-am împachetat practic aerul.
Presiunea la nivelul mării
Înălțimea peste înălțimea de pornire
La vârf la o altitudine de 3000 m atinge -1,64 ° C, deci este cu aproape 7 ° C mai rece decât aerul ambiant de la Schneefernerhaus. Datorită gradientului de stratificare, am determinat o temperatură ambiantă de aproximativ + 5 ° C. Tabelul EXCEL asociat se numește adiabate.xls. Aceasta înseamnă că toată lumea poate varia valorile inițiale după bunul plac și poate observa efectele. Este uimitor faptul că valorile temperaturii și, astfel, diferențele de temperatură nu se schimbă dacă QNH, adică presiunea la nivelul mării, este modificată.
Aerul umed
Dar dacă am fi împachetat aer umed? Dacă există un gradient de ridicare adiabatic uscat, unul adiabatic umed nu este cu siguranță departe! Pentru a explica același lucru, totuși, trebuie să ne întoarcem puțin:
Apa este un factor foarte important în vreme. Nu este o exagerare să spunem că fără apă nu ar fi vreme! Apa apare în toate cele trei stări fizice din atmosferă: lichidă, gazoasă și solidă. Este o veche concepție greșită că norii constau din vapori de apă, deoarece vaporii de apă sunt invizibili! Dacă aveți probleme cu acest lucru, aruncați o privire foarte atentă atunci când mama abureste de pe Sicomatic în bucătărie. Direct la punctul de ieșire și 2 - 3 cm după aceea nu puteți vedea nimic! Norii de ceață încep să se formeze doar la o distanță mai mare de oală. Acum, vaporii de apă fierbinți anterior s-au condensat deja în apă lichidă din cauza mediului relativ rece. Deci, ceea ce vedeți sunt picături mici de apă! Deci, aerul poate conține foarte bine vapori de apă (adică apă gazoasă) fără ca noi să-l vedem. Deci, când vedem ceva, este întotdeauna apă lichidă. Prin urmare, norii constau din apă lichidă sau chiar înghețată în picături mici sau cristale.
Pentru considerațiile noastre ulterioare, tranzițiile dintre cele trei state prezintă un interes deosebit. Așadar, să ne uităm la ce se întâmplă când apa se evaporă. Pentru a depista aceste fenomene, avem nevoie doar de un termometru în plus față de o oală cu apă pe aragaz. Toată lumea știe că temperatura apei crește atunci când aprindem aragazul. Adăugăm energie, astfel încât temperatura materialului încălzit crește în funcție de capacitatea de căldură specifică. Am menționat deja mai sus că 1 kg de apă necesită aproximativ 42 kJ de energie pentru o creștere a temperaturii de 10 ° C. Pe vremuri, când totul era mult mai bine, femeile zvelte numărau calorii în timp ce mâncau, iar fizicienii le numărau (caloriile, nu femeile!) Acestea au fost zilele! Vechea unitate energetică „calorie” a fost de fapt „calibrată” la apă și a oferit valori mult mai frumoase decât joulul nou înfășurat. Prin urmare, ne întoarcem pe scurt în acele vremuri bune, calculul tocmai făcut acum spune: Pentru a încălzi 1 kg de apă la 10 ° C, aveți nevoie de o cantitate de energie de 10 kilocalorii. Sau, care este exact același: 1 kilocalorie pentru 1 ° C pe kg.
Dacă punem oala cu un kilogram de apă rece 20 ° C pe aragaz, avem nevoie de 80 kilocalorii pentru a încălzi această cantitate la 100 ° C. Putem determina cu ușurință această creștere a temperaturii cu ajutorul termometrului nostru: crește încet, dar constant. După cum crede toată lumea, apa fierbe la această temperatură, astfel încât procesul de evaporare este în plină desfășurare. Fierbe și abure, blatul aragazului încă mai trage la cel mai înalt nivel, doar că termometrul nostru nu mai smuceste. Rămâne înrădăcinat la 100 ° C!
Sursa de energie a vaporilor de apă
Acum, cel târziu, ar trebui să începem să ne gândim: Unde se duc toate acele calorii frumoase și scumpe pe care le oferă încă aragazul? Nu mai sunt o opțiune pentru creșterea temperaturii apei, așa cum arată termometrul. Nici această energie nu poate dispărea; acest lucru este împiedicat de principiul conservării energiei. Singurul proces rămas acum este procesul de evaporare și tocmai asta ia toate caloriile. Este nevoie de o cantitate incredibilă de energie pentru a transforma apa lichidă în abur de aceeași temperatură. Dacă vrem să evaporăm întregul litru de apă, trebuie să cheltuim aproape 600 de kilocalorii pentru aceasta. În comparație, cele 80 de kilocalorii calculate mai sus pentru încălzire par de-a dreptul ridicole!
Această energie este acum în abur. Dacă îl lăsăm să se condenseze din nou, exact această cantitate de energie este eliberată din nou ca căldură de condens. În primul rând, vaporii de apă sunt o sursă decentă de energie. În al doilea rând, are un efect de echilibrare extraordinar, deoarece absoarbe multă energie în perioadele de exces și o poate elibera din nou în perioadele de deficiență. Fără vapori de apă sau fără capacitatea acestuia de a stoca energie, am avea diferențe de temperatură mult mai flagrante pe pământ.
Vapori de apă în aer
Apa care se evaporă în oală sau pe suprafața pământului se ridică în atmosferă și se află în aer ca gaz de apă invizibil. Devine vizibil în nopțile răcoroase când se depune sub formă lichidă ca roua pe iarbă și geamurile mașinii. Dacă nu doriți să ieșiți în frig, puteți comanda o bere rece în pub-ul dvs. și apoi să urmăriți același fenomen pe pahar. Aflăm din aceasta că aerul degajă vaporii de apă pe care îi conține la temperaturi scăzute. Foarte pictural, ne putem imagina aerul ca un burete care poate absorbi și stoca apa, dar, de asemenea, să-l lase să se scurgă din nou. Capacitatea de stocare a buretelui nostru de aer depinde numai de temperatura acestuia: cu cât temperatura aerului este mai mare, cu atât poate absorbi mai mulți vapori de apă. Există o regulă generală dură, dar încă suficientă, pentru această „capacitate de stocare” a aerului: un metru cub de aer poate absorbi maximum vapori de apă în grame cât temperatura acestuia în ° C. Pe scurt: 1 metru cub de aer la 10 ° C poate absorbi maximum 10 g de vapori de apă; dacă vrem să adăpostim 20 g de vapori de apă, aerul trebuie să fie cald de cel puțin 20 ° C.
Înapoi la Garmisch
Să împachetăm încă un metru cub de aer la 20 ° C în fenomenala noastră cămașă izolatoare din Garmisch. Dar de data aceasta luăm unul care conține exact 10 g de vapori de apă. Deoarece putem calcula cu ușurință (1 ° C/100 m) sau putem căuta în tabelul de mai sus, trebuie să urcăm exact 1000 m până când pachetul nostru de aer s-a răcit la 10 ° C. Deși acum există vapori în aer, la început putem pretinde cu ușurință că este complet uscat. Atâta timp cât apa conținută este conținută exclusiv ca gaz invizibil, acest lucru nu are niciun efect asupra considerațiilor și calculelor noastre făcute anterior.
Cu toate acestea, dacă urcăm mai sus și aerul se răcește mai mult, vaporii de apă conținuți nu mai pot fi reținuți, deoarece este necesară o temperatură a aerului de cel puțin 10 ° C pentru 10 g de abur. Fiecare răcire ulterioară duce la condensarea excesului de abur. Dacă super-coaja noastră este, de asemenea, transparentă, vedem că acum purtăm un nor mic pe munte. În timpul acestei condensări, căldura de condensare stocată în abur este eliberată din nou. Aceasta înseamnă că pachetul de aer nu se mai răcește cu 1 ° C pentru fiecare diferență de altitudine de 100 m pe drumul mai sus. Scăderea temperaturii este mai mică datorită energiei provenite din vaporii de apă condensatori și este cuprinsă între 0,3 și 0,9 ° C în funcție de conținutul de vapori de apă și de temperatura inițială; Ne așteptăm la o medie de 0,6 ° C. Acesta este gradientul de ridicare adiabatică umedă.
Pentru a „merge” exemplul mai departe: Dacă urcăm restul de 1200 m până la vârf și aerul transportat se răcește doar cu 0,6 ° C la 100 m, pachetul nostru de aer este la +2,8 ° C în partea de sus Deși este încă mai rece decât aerul ambiant, este totuși mult mai cald decât pachetul care a fost transportat anterior uscat.
Gradienții discutați indică întotdeauna dimensiunea unei scăderi a temperaturii odată cu creșterea altitudinii. Mai întâi trebuie făcută o distincție dacă măsurăm scăderea temperaturii într-un strat static de aer, unde devine mai rece la altitudini mai mari pur și simplu pentru că suntem tot mai departe de „placa de încălzire” a solului. În celălalt caz, ridicăm aer mecanic. Aerul devine mai rece pentru că se extinde. Aici trebuie făcută o distincție dacă aerul ridicat este uscat (adică fără condens vizibil) sau umed.
Scăderea temperaturii stratului de aer în repaus.