Термодинамические диаграммы

Термодинамические диаграммы — это диаграммы, используемые для представления термодинамических состояний материала (обычно жидкости ) и последствий манипулирования этим материалом. Например, диаграмма температура- энтропия ( диаграмма T-s ) может использоваться для демонстрации поведения жидкости при ее изменении под действием компрессора.

Обзор

В частности, в метеорологии они используются для анализа фактического состояния атмосферы, полученного на основе измерений радиозондов , обычно получаемых с помощью метеозондов . На таких диаграммах значения температуры и влажности (представленные точкой росы ) отображаются относительно давления . Таким образом, диаграмма на первый взгляд дает представление о фактической стратификации атмосферы и вертикальном распределении водяного пара. Дальнейший анализ дает фактическую высоту основания и вершины конвективных облаков или возможные нестабильности стратификации.

Предполагая количество энергии , обусловленной солнечной радиацией , можно предсказать температуру, влажность и ветер на высоте 2 м (6,6 футов ) в течение дня, развитие пограничного слоя атмосферы, появление и развитие облаков и условия. для парящего полета в течение дня.

Основной особенностью термодинамических диаграмм является эквивалентность площади диаграммы и энергии. Когда воздух меняет давление и температуру во время процесса и представляет собой замкнутую кривую на диаграмме, площадь, ограниченная этой кривой, пропорциональна энергии, полученной или выделенной воздухом.

Виды термодинамических диаграмм

Диаграммы общего назначения включают в себя:

В отношении метеорологических служб в основном используются три различных типа термодинамических диаграмм:

Все три диаграммы получены на основе физической диаграммы P-альфа, которая сочетает в себе давление ( P ) и удельный объем ( альфа ) в качестве основных координат. Диаграмма P-альфа показывает сильную деформацию сетки для атмосферных условий и поэтому бесполезна в науках об атмосфере . Три диаграммы построены на основе диаграммы P-альфа с использованием соответствующих преобразований координат.

Это не термодинамическая диаграмма в строгом смысле слова, поскольку она не отображает эквивалентность энергии и площади.

Диаграмма Стюве

Но из-за более простой конструкции ему отдается предпочтение в образовании. ^{[ нужна ссылка ]}

Другая широко используемая диаграмма, которая не отображает эквивалентность энергии и площади, - это диаграмма θ-z (диаграмма тета-высот), широко используемая в метеорологии пограничного слоя .

Характеристики

Термодинамические диаграммы обычно показывают сеть из пяти различных линий:

изобары = линии постоянного давления
изотермы = линии постоянной температуры
сухие адиабаты = линии постоянной потенциальной температуры, представляющие температуру поднимающегося участка сухого воздуха.
насыщенные адиабаты или псевдоадиабаты = линии, представляющие температуру поднимающегося участка, насыщенного водяным паром.
соотношение смешивания = линии, обозначающие точку росы поднимающегося участка.

Получают скорость градиента , сухоадиабатический градиент (DALR) и влажно-адиабатический градиент (MALR). С помощью этих линий определяются такие параметры, как уровень конденсации облаков , уровень свободной конвекции , начало образования облаков. и т. д. можно получить по результатам зондирования.

Пример

Путь или серия состояний, через которые система переходит от состояния начального равновесия к состоянию конечного равновесия. ^[1] и их можно просмотреть графически на диаграммах давление-объем (PV), давление-температура (PT) и температура-энтропия (Ts). ^[2]

Существует бесконечное количество возможных путей от начальной точки до конечной точки процесса . Однако во многих случаях путь имеет значение, изменения термодинамических свойств зависят только от начального и конечного состояний, а не от пути. ^[3]

Рассмотрим газ в цилиндре со свободно плавающим поршнем, покоящимся над объемом газа $V 1$ при температуре $T 1$ . Если газ нагревается так, что температура газа поднимается до $T 2,$ в то время как поршень может подниматься до $V 2$ , как показано на рисунке 1, то давление в этом процессе сохраняется прежним благодаря тому, что поршень может свободно плавать. подниматься, превращая процесс в изобарический процесс или процесс при постоянном давлении. Этот путь процесса представляет собой прямую горизонтальную линию от состояния один до состояния два на фотоэлектрической диаграмме.

Часто бывает полезно вычислить работу, проделанную в процессе. Работа, выполненная в процессе, — это область под маршрутом процесса на фотодиаграмме. Рисунок 2. Если процесс изобарный, то работу, совершаемую поршнем, легко вычислить. Например, если газ медленно расширяется против поршня, работа, совершаемая газом по поднятию поршня, равна силе F, умноженной на расстояние d . Но сила равна давлению P газа, умноженному на площадь A поршня, F = PA . ^[4] Таким образом

W = Fd
W = ПАд
W знак равно п ( V ₂ - V ₁ )

Теперь предположим, что поршень не смог плавно двигаться внутри цилиндра из-за статического трения о стенки цилиндра. Если предположить, что температура повышалась медленно, вы обнаружите, что путь процесса не является прямым и больше не изобарным, а вместо этого будет подвергаться изометрическому процессу до тех пор, пока сила не превысит силу трения, а затем подвергнется изотермическому процессу , возвращающемуся к равновесию. состояние. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние. См. рисунок 3 . Работа, совершаемая поршнем в этом случае, будет иной из-за дополнительной работы, необходимой для сопротивления трению. Работа, выполненная за счет трения, будет разницей между работой, выполненной на этих двух путях процесса.

Многие инженеры сначала пренебрегают трением, чтобы создать упрощенную модель. ^[1] Для более точной информации высота самой высокой точки или максимальное давление, позволяющее превысить статическое трение, будет пропорциональна коэффициенту трения, а наклон, возвращающийся к нормальному давлению, будет таким же, как при изотермическом процессе, если температура увеличивался достаточно медленными темпами. ^[4]

Другой путь в этом процессе — изометрический процесс . Это процесс, при котором объем поддерживается постоянным, что отображается вертикальной линией на диаграмме PV. Рисунок 3. Поскольку поршень во время этого процесса не движется, никакой работы не совершается. ^[1]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Термодинамика (третье издание), Кеннет Уорк, McGraw-Hill Inc, 1977, ISBN 0-07-068280-1
^ Основы инженерной термодинамики (седьмое издание), Майкл Дж. Моран, Ховард Н. Шапиро, Дейзи Д. Беттнер , Маргарет Б. Бейли, John Wiley & Sons, Inc., 2011, ISBN 978-0470-49590-2
^ Филип Э. Блумфилд, Уильям А. Стил, «Термодинамические процессы», в AccessScience, ©McGraw-Hill Companies, 2008, http://www.accessscience.com
^ Jump up to: ^а ^б Физика – принципы с приложениями (второе издание), Дуглас С., Джанколи, Printice Hall, Inc., 1985, ISBN 0-13-672627-5

«Физика атмосферы» , Джон Хоутон, Cambridge University Press, 2002. Особенно глава 3.3. имеет дело исключительно с тефиграммой.
Немецкая версия Справочника по метеорологическим полетам от Международной научной и технической организации Vol à Voile (OSTIV) (глава 2.3)

Дальнейшее чтение

Справочник по метеорологическому прогнозированию парящего полета. Техническая записка ВМО № 158. ISBN 92-63-10495-6, особенно глава 2.3.

Внешние ссылки

www.met.tamu.edu/../aws-tr79-006.pdf Очень большое техническое руководство (164 страницы) по использованию диаграмм.
www.comet.ucar.edu/../sld010.htm Курс по использованию диаграмм в Comet, «Совместная программа оперативной метеорологии, образования и обучения».

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с Термодинамика (третье издание), Кеннет Уорк, McGraw-Hill Inc, 1977, ISBN 0-07-068280-1

[2] Основы инженерной термодинамики (седьмое издание), Майкл Дж. Моран, Ховард Н. Шапиро, Дейзи Д. Беттнер , Маргарет Б. Бейли, John Wiley & Sons, Inc., 2011, ISBN 978-0470-49590-2

[3] Филип Э. Блумфилд, Уильям А. Стил, «Термодинамические процессы», в AccessScience, ©McGraw-Hill Companies, 2008, http://www.accessscience.com

[:1-4] Jump up to: ^а ^б Физика – принципы с приложениями (второе издание), Дуглас С., Джанколи, Printice Hall, Inc., 1985, ISBN 0-13-672627-5

[1]

[2]

[3]

[4]