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 [ править ]

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 [ править ]

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 цитата ]}

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 [ править ]

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 [ править ]

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 подняться до $V 2$ , как показано на рисунке 1, то давление в этом процессе сохраняется прежним, поскольку допускается свободное плавание поршня. 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 [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Перейти обратно: ^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
^ Перейти обратно: ^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 [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

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] Перейти обратно: ^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] Перейти обратно: ^а ^б Физика – принципы с приложениями (второе издание), Дуглас С., Джанколи, Printice Hall, Inc., 1985, ISBN 0-13-672627-5

[1]

[2]

[3]

[4]