Как давление связано с плотностью воздуха?

Атмосфера приближается к идеальному газу, и как таковой вы можете связать давление и плотность через уравнение идеального газа. Форма, которую мы используем в метеорологии, использует плотность массы и дается:

$$p={\rho}RT$$

где P

$P$ давление в единицах па, ρ

$\rho$ плотность в единицах кг м-3, Р

$R$ является постоянной газа для сухого воздуха (287 Дж кг-1 к-1) и T

$T$ температура в Кельвине. Это предполагает, что сухая атмосфера и влажность уменьшат плотность для данного давления. Рассмотрение для водяного пара обычно принесено внутри путем изменять температуру в фактически температуру TV

$T_V$ где T V = t (1 + 0.61 q)

$T_V=T(1+0.61q)$ и вопрос

$q$ коэффициент смешивания водяного пара (единиц k g  K g g—1

$kg~ kg^{-1}$).

Давление увеличивается с температурой, потому что частицы имеют больше кинетической энергии (которая пропорциональна T

$T$). Представьте коробку полную отскакивая шариков, если эти шарики начинают двинуть более быстро шарики ударят стены коробки более крепко, то передавая больше силы на коробке. Давление просто сила в зону, поэтому если сила увеличивает но коробка остается таким же размером, то давление увеличивало.

Плотность воздуха может уменьшаться с температурой, если давление также уменьшается. Если давление постоянно, это не может произойти (они будут обратно связаны). Каждый раз, когда вы указываете отношение между любыми двумя из давления, плотности или температуры, вы должны держать третью константу или указать ее поведение.

Например, поднимается горячий воздух, но почему тогда на вершине горы холодно? Ответ заключается в том, что горячий воздух менее плотный, чем холодный воздух, окружающий его для постоянного давления, и, будучи менее плотным, он поднимается. С горой давление уменьшается, и мы также находим в атмосфере, что температура уменьшается с уменьшением давления.

В жаркий день, как правило, происходит то, что поверхность, которая нагревается солнцем, нагревает самый низкий уровень атмосферы, уменьшая ее плотность (она находится под тем же давлением, что и ее окружение, и ее t поднимается). Это в конечном итоге приведет к конвекции и смешиванию этого более теплого воздуха по вертикали. Учитывая достаточное время, это уменьшит массу в столбе воздуха и, следовательно, уменьшит давление на поверхности. Они называются «тепловые минимумы», и вы можете увидеть их формирование в пустынных районах, и они играют роль в формировании морского бриза и муссонов.

Для решения расширенного вопроса:

Смысл написанного в FAA лучше всего понять, забыв, что мы летаем на постоянных высотах-мы этого не делаем. В горизонтальном полете мы летим по поверхностям постоянного давления, которые затем переводим на высоту. В любом данном столбе атмосферы, если он теплее стандартного, то данная поверхность давления будет выше, а когда холоднее стандартного, поверхность давления будет ниже.

Чтобы проиллюстрировать,давайте рассмотрим, что вы летите на 3000 футов или примерно 900 МБ. Везде на этой поверхности давления покажет 3000 ft на нашем высотомере для своей настоящей установки. Если мы идем куда-то горячим, эта поверхность давления поднимается, и поэтому мы поднимаемся (хотя мы думаем, что мы на одном уровне) с этой поверхностью давления, но поскольку давление не изменилось, мы все еще указываем 3000 футов. Тем не менее, мы выше, чем 3000 футов в реальности.

Это следует за вашим следующим вопросом. Анероидные пластины обнаруживают изменения давления, и ваш высотомер отображает высоту, не скорректированную на температуру. Вот почему ваша истинная высота может меняться в зависимости от температуры для постоянной указанной высоты. Когда вы корректируете высоту для температуры, мы называем это «высотой плотности».

Итак, вернемся к моему примеру выше, вы летите на 900 МБ и указываете 3000 футов и направляетесь в более теплый воздух. Поверхность давления начинает мягко подниматься, и, поскольку вы еще не следуете за этим подъемом, и ваш высотомер укажет на спуск. В полете истинного уровня вы начнете летать в более высокое давление в этом случае, поскольку поверхность 900 МБ поднимается над вами, а анероидная пластина в вашем высотомере укажет на более низкую высоту и спуск. Вы исправляете это и поднимаетесь обратно до уровня давления 900 МБ, так что ваш высотомер снова укажет 3000′, все время на самом деле мягко поднимаясь по этой поверхности давления. Вы действительно не будете знать об этом во время полета, однако, и просто минимизируете вертикальную скорость и поддерживаете высоту, блаженно не зная, что вы действительно летите на наклонной поверхности постоянного давления.

Чтобы лучше проиллюстрировать это, рассмотрим следующий рисунок:

На этом рисунке красные означают более теплый, чем средний столб воздуха, а синие-более холодный, чем средний столб. Беловатая область в середине-колонна при средних температурах. Черные сплошные линии-изобары (линии постоянного давления). Пунктирная черная линия является истинной высотой над поверхностью. Наконец, жирная черная линия-это уровень давления, который соответствует истинной высоте пунктирной линии в условиях ISA.

Вы должны заметить, что уровни давления в теплом столбе расположены дальше друг от друга, потому что воздух менее плотный, и больше его необходимо для создания такого же давления (поскольку давление-это только вес всего воздуха над ним). Аналогично в холодной колонне уровни давления расположены ближе друг к другу, потому что воздух более плотный, чем обычно.

Чтобы связать это с обсуждениями выше, рассмотрите себя в стандартной колонке (белый фон) на истинной высоте над землей, представленной пунктирной линией. Ваш высотомер не чувствует эту истинную высоту, но вместо этого чувствует давление за пределами самолета. Это будет примерно откалибровано до вашей истинной высоты (нескорректированной для температуры), но с использованием локальной настройки высотомера. Теперь, когда вы летите влево или вправо и поддерживаете постоянную указанную высоту, вы будете отслеживать жирную линию, так как это давление соответствует вашей истинной высоте в стандартных темпах. Когда вы летите к более холодной колонне, вы в действительности будете спускаться, и вы будете подниматься, когда вы летите в более теплую колонну.

Большая вещь, чтобы помнить, что D e n s i T y = M A s s V o L u m e

$Density=\frac{Mass}{Volume}$. Оно не связано с давлением, а давление не связано с плотностью.

Давление обычно увеличивается с температурой только в Газе с постоянным объемом. Это потому, что вы добавляете больше энергии в систему, заставляя молекулы становиться более возбужденными. Проще говоря, они сильнее подпрыгивают и оказывают больше энергии друг на друга и на стенки своего контейнера. Мы называем это давлением.

Если бы не было контейнера, повышение температуры заставило бы молекулы разлетаться на части. Теперь молекул на единицу объема меньше, поэтому плотность ниже.

Сейчас в авиации и метеорологии, когда мы говорим об атмосферном давлении, то оно немного отличается и меньше связано с плотностью атмосферы. На системы высокого и низкого давления в большей степени влияет относительное движение вверх и вниз огромных воздушных масс, чем непосредственная локальная температура, как это было бы с содержащимся газом.

Давление, плотность и температура связаны (приблизительно) через уравнение идеального газа. В общем виде это

$$PV=nRT$$

Где P

$P$ давление, В

$V$ том, северный

$n$ это сумма, T

$T$ температура и Р

$R$ идеальная газовая константа. Если у вас есть закрытый контейнер, наполненный воздухом, объем (В

$V$) и сумма (северный

$n$) одинаковы, поэтому давление увеличивается пропорционально температуре.

В свободной атмосфере, однако, давление определено весом воздуха выше и таким образом главным образом зафиксировано , поэтому путем нагревать воздух Оно увеличивает том вместо.

Чтобы добраться до плотности, мы разделим уравнение по объему и получим:

$$P=\rho RT$$

Где ρ

$\rho$ плотность (и handwave переключатель от количества к массе, пряча газ-специфический фактор преобразования в константе газа). Внешнее давление постоянн, поэтому плотность фактически уменьшает по мере того как температура увеличивает.

Практический эффект от этого заключается в том, что, поскольку мощность двигателя зависит от количества воздуха, он может привлечь в фиксированном объеме цилиндров производительность хуже, когда он теплее.

Теперь остается объяснить, что регулирует давление воздуха в открытом воздухе. Давление в любой точке обусловлено весом воздуха над ней. Потому что от вышеуказанного на температуре постоянного плотность пропорциональна к давлению, полное уравнение дифференциально.

$$\Delta P \sim \rho\Delta h$$

В словах изменение давления равно разнице в плотности времен высоты.

Давление на уровне земли зависит от погодных систем сложными способами. Но так как более холодный воздух плотнее, это означает, что когда он холодный, давление будет уменьшаться быстрее с высотой, чем когда жарко. Теперь высотомер действительно измеряет давление и он только имеет регулировку для давления на уровне моря, но не для температуры. Поэтому, когда вы устанавливаете свой высотомер на землю и поднимаетесь на 1000 футов, вы будете более чем на 1000 футов над землей, когда жарко, потому что давление медленно уменьшается и меньше 1000 футов над землей, когда холодно . Некоторые процедуры даже имеют минимальную температуру поэтому.