Плотность воздуха при различных температурах формула. Влияние влажности воздуха. Температура, давление и плотность
Выведенные дифференциальные уравнения (1.2, 1.4) содержат параметры, которые характеризуют жидкость или газ: плотность r , вязкость m , а также параметры пористой среды – коэффициенты пористости m и проницаемости k . Для дальнейших расчетов надо знать зависимость этих коэффициентов от давления.
Плотность капельной жидкости . При установившейся фильтрации капельной жидкости можно считать ее плотность, не зависящей от давления, то есть рассматривать жидкость как несжимаемую: r = const .
Давление увеличивается с температурой, потому что частицы имеют большую кинетическую энергию. Представьте себе коробку, полную прыгающих мячей, если эти шары начнут двигаться быстрее, шары будут сильнее ударять по стенкам коробки, придавая больше силы на коробке. Давление - это просто сила на площадь, поэтому, если сила увеличивается, но ящик остается того же размера, давление увеличивается.
Плотность воздуха может уменьшаться с температурой, если давление также уменьшается. Если давление постоянное, этого не может быть. Каждый раз, когда вы указываете связь между любыми двумя давлениями, плотностью или температурой, вы должны удерживать третью константу или указывать ее поведение.
В неустановившихся процессах необходимо учитывать сжимаемости жидкости, которая характеризуется коэффициентом объемного сжатия жидкости b ж . Этот коэффициент обычно считают постоянным:
Проинтегрировав последнее равенство от начального значений давления р 0 и плотности r 0 до текущих значений, получим:
Например, поднимается горячий воздух, но почему тогда холодно на вершине горы. Ответ заключается в том, что горячий воздух менее плотный, чем холодный воздух, окружающий его для постоянного давления, и менее плотный 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. Это в конечном итоге приведет к конвекции и смешит этот теплый воздух по вертикали. При достаточном времени это уменьшит массу в колонке с воздухом и, следовательно, уменьшит давление на поверхности. Они называются «тепловыми минимумами», и вы можете видеть, как они формируются в пустынных районах, и они играют роль в формировании морского бриза и муссонах.
При этом получаем линейную зависимость плотности от давления.
Плотность газов . Сжимаемые жидкости (газы) при малых изменениях давления и температуры также можно характеризовать коэффициентами объёмного сжатия и температурного расширения. Но при больших изменениях давлений и температур эти коэффициенты меняются в больших пределах, поэтому зависимость плотности идеального газа с давлением и температурой находятся на основе уравнения состояния Клайперона – Менделеева :
Для решения расширенного вопроса. На уровне полета мы летаем на поверхностях постоянного давления, которые затем переводим на высоту. В любой данной колонке атмосферы, если она более теплая, чем стандартная, заданная поверхность давления будет выше, а при более холодном, чем стандартная, давление будет ниже.
Это следует за следующим вопросом. Анероидные пластины обнаруживают изменения давления, и ваш высотомер отображает высоту, не скорректированную на температуру. Вот почему ваша истинная высота может варьироваться в зависимости от температуры для постоянной указанной высоты. Когда вы корректируете высоту температуры, мы называем эту «высоту плотности».
где R’ = R/M m – газовая постоянная, зависящая от состава газа.
Газовая постоянная для воздуха и метана соответственно равны, R΄ воздуха = 287 Дж/кг K˚; R΄ метан = 520 Дж/кг K˚.
Последнее уравнение иногда записывают в виде:
(1.50) |
Из последнего уравнения видно, что плотность газа зависит от давления и температуры, поэтому если известна плотность газа, то необходимо указывать давление, температуру и состав газа, что неудобно. Поэтому вводятся понятия нормальных и стандартных физических условий.
Поверхность давления начинает медленно подниматься, и, как вы это делаете, вы еще не следуете этому подъему, и ваш высотомер будет указывать на спуск. В поле истинного уровня вы начнете летать в более высоком давлении в этом случае, так как поверхность 900 мб поднимается над вами, а анодероидная пластина в вашем альтиметре будет указывать на более низкую высоту и спуск. Тем не менее, вы действительно не понимаете этого во время полета и будете просто минимизировать вертикальную скорость и поддерживать высоту, блаженно не осознавая, что вы действительно летите на наклонной поверхности постоянного давления.
Нормальные условия соответствуют температуре t = 0°С и давлению p ат = 0,1013°МПа. Плотность воздуха при нормальных условиях равна ρ в.н.ус = 1,29 кг/м 3 .
Стандартные условия соответствуют температуре t = 20°С и давлению p ат = 0,1013°МПа. Плотность воздуха при стандартных условиях равна ρ в.ст.ус = 1,22 кг/м 3 .
Поэтому по известной плотности при данных условиях можно рассчитать плотность газа при других значениях давления и температуры:
Чтобы лучше проиллюстрировать это, рассмотрим следующий рисунок. На этом рисунке красные означают более теплый, чем средний столбец воздуха, а блюз - более холодный, чем средний столбец. Беловатая область посередине представляет собой колонку при средних температурах. Черные сплошные линии - изобары. Черная черная линия - истинная высота над поверхностью.
Вы должны заметить, что уровни давления в теплой колонне расположены дальше друг от друга, потому что воздух менее плотный, и для этого требуется большее количество энергии. Аналогично, в прохладном столбе уровни давления расположены ближе друг к другу, потому что воздух более плотный, чем стандартный.
Исключая пластовую температуру, получим уравнение состояния идеального газа, которым будем пользоваться в дальнейшем:
где z – коэффициент, характеризующий степень отклонения состояния реального газа от закона идеальных газов (коэффициент сверхсжимаемости) и зависящий для данного газа от давления и температуры z = z(p, Т) . Значения коэффициента сверхсжимаемости z определяются по графикам Д. Брауна.
Чтобы связать это с обсуждением выше, рассмотрите себя в стандартном столбце на истинной высоте над землей, представленной пунктирной линией. Ваш альтиметр не воспринимает эту истинную высоту, а вместо этого ощущает давление за пределами самолета. Это будет грубо откалибровано до вашей истинной высоты, 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, соответствующее вашей истинной высоте при стандартных темпах.
Вязкость нефти . Эксперименты показывают, что коэффициенты вязкости нефти (при давлениях выше давления насыщения) и газа увеличиваются с повышением давления. При значительных изменениях давления (до 100 МПа) зависимость вязкости пластовых нефтей и природных газов от давления можно принять экспоненциальной:
(1.56) |
При малых изменениях давления эта зависимость имеет линейный характер.
Когда вы летите в более холодную колонну, вы на самом деле спуститесь, и вы будете лезть, когда вы летите в более теплую колонну. Более сжатый избыточной воздушной массой, чем на более высокой высоте: поэтому воздух более плотный. Воздух всегда имеет самую высокую плотность и давление на земле - и самую высокую температуру, за исключением инверсий. На больших высотах воздух становится тоньше и тоньше. Если бы температура была одинаковой на всех высотах, давление воздуха и плотность воздуха также уменьшались вместе с увеличением высоты в соответствии с газовым законом.
Здесь m 0 – вязкость при фиксированном давлении p 0 ; β m – коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от состава нефти или газа.
Пористость пласта . Чтобы выяснить, как зависит от давления коэффициент пористости, рассмотрим вопрос о напряжениях, действующих в пористой среде, заполненной жидкостью. При уменьшении давления в жидкости увеличивается силы на скелет пористой среды, поэтому пористость уменьшается.
Однако температура на разных высотах сильно различается. 90% атмосферы ниже 20 км. 70% атмосферы находится ниже 10 км над уровнем моря. 55% атмосферы находится ниже 5 км над уровнем моря. Как вы можете видеть, эти переменные сильно зависят от температуры.
Точное определение плотности воздуха
Точное определение плотности воздуха требует учета влажности, поскольку это изменяет газовую постоянную воздуха. После регулировки газовой постоянной уравнение. Газовая постоянная влажного воздуха рассчитывается по формуле. Давление насыщенных паров, обратите внимание на ограничения. Уравнение обеспечивает давление пара в Паскале. Альтернативно, формула.
Вследствие малой деформации твердой фазы считают обычно, что изменение пористости зависит от изменения давления линейно. Закон сжимаемости породы записывают следующим образом, вводя коэффициент объемной упругости пласта b с :
где m 0 – коэффициент пористости при давлении p 0 .
Лабораторные эксперименты для разных зернистых пород и промысловые исследования показывают, что коэффициент объемной упругости пласта составляет (0,3 – 2) 10 -10 Па -1 .
Использовать; особенно точные значения предоставляются панелью. Атмосфера - это слой воздуха, который окружает нашу планету. Другие планеты в солнечной системе также имеют атмосферу. Газы, составляющие атмосферу, удерживаются вокруг Земли из-за притяжения силы тяжести и сопровождают ее движение.
Плотность воздуха уменьшается по мере увеличения высоты, причем 50% газов и частиц в суспензии расположены на первых 5 км. Атмосфера фундаментальна для поддержания жизни на Земле, потому что. Это источник кислорода, необходимый газ для жизни, который регулирует температуру и земной климат, который отвечает за распределение воды на планете, защищает Землю от космических излучений и метеоров. Атмосфера: наш защитный экран.
При значительных изменениях давления изменение пористости описывается уравнением:
а при больших – экспоненциальной:
(1.61) |
В трещиноватых пластах проницаемость изменяется в зависимости от давления более интенсивно, чем в пористых, поэтому в трещиноватых пластах учет зависимости k(p) более необходим, чем в гранулярных.
Земная атмосфера представляет различные характеристики вдоль ее вертикального профиля, а ее толщина составляет приблизительно 000 км. Столбец воздуха, который его создает, оказывает давление, называемое атмосферным давлением. Поскольку это зависит от плотности воздуха, когда мы поднимаемся, атмосферное давление становится меньше.
Атмосферное давление также изменяется вдоль земной поверхности, что является важной переменной для метеорологического анализа. Атмосфера также несет ответственность за наблюдение за голубым небом в течение дня, так как его частицы рассеивают преимущественно видимое излучение на этой длине волны.
Уравнения состояния жидкости или газа, насыщающих пласт, и пористой среды замыкают систему дифференциальных уравнений.
Реферат на тему:
Плотность воздуха
План:
-
Введение
- 1
Взаимосвязи в пределах модели идеального газа
- 1.1 Температура, давление и плотность
- 1.2 Влияние влажности воздуха
- 1.3 Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере
Примечания
Введение
Плотность воздуха - масса газа атмосферы Земли на единицу объема или удельная масса воздуха при естественных условиях. Величина плотности воздуха является функцией от высоты производимых измерений, от его температуры и влажности. Обычно стандартной величиной считается значение 1,225 кг ⁄ м 3 , которая соответствует плотности сухого воздуха при 15°С на уровне моря.
Из-за различных характеристик, которые представляет атмосфера, на разных высотах она разделена на слои. Слой, ближайший к поверхности Земли, называется тропосферой. Он простирается до средней высоты 12 км. Этот слой соответствует 80% от общей массы атмосферы и где происходят основные метеорологические явления. Температура уменьшается с высотой.
Парниковый эффект является естественным и существенным явлением для живых существ. Это предотвращает потерю Земли слишком большим количеством тепла, что приводит к резким колебаниям температуры. С увеличением выбросов газов парникового эффекта в результате деятельности человека проверяется повышение глобальной температуры.
1. Взаимосвязи в пределах модели идеального газа
|
1.1. Температура, давление и плотность
Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Клапейрона для идеального газа при заданных температуре (англ.) русск. и давлении:
Воздушное обновление окружающей среды можно классифицировать как. Естественная или самопроизвольная вентиляция Динамическая вентиляция Тепловая вентиляция. Положительное давление Отрицательное давление. . Количество воздуха, которое система вентиляции должна вводить или удалять из вольера, зависит от погодных условий и возраста птиц.
Естественная или спонтанная вентиляция. Это нормальное движение воздуха, которое может возникать из-за различий в давлении, вызванных воздействием ветра или температуры между двумя рассматриваемыми средами. Причиной ветра является разница в атмосферном давлении на уровне земли, что, в свою очередь, является следствием изменения температуры.
Здесь ρ - плотность воздуха, p - абсолютное давление, R - удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К) ) , T - абсолютная температура в Кельвинах. Таким образом подстановкой получаем:
- при стандартной атмосфере Международного союза теоретической и прикладной химии (температуре 0°С, давлении 100 КПа, нулевой влажности) плотность воздуха 1,2754 кг ⁄ м³ ;
- при 20 °C, 101,325 КПа и сухом воздухе плотность атмосферы составляет 1,2041 кг ⁄ м³ .
В приведенной таблице даны различные параметры воздуха, вычисленные на основании соответствующих элементарных формул, в зависимости от температуры (давление взято за 101,325 КПа)
Воздух всегда течет от точки высокого давления до точки низкого давления. Это означает, что скорость воздуха в установке всегда больше в отверстиях наветренной стороны, чем подветренная сторона. Действие ветров, хотя и прерывисто, вызывает ошеломление давлений в горизонтальном направлении. Когда ток воздуха теряет скорость, давление возрастает. Чем выше разность давлений, тем выше скорость воздуха.
Рисунок Масштабирование давления в горизонтальном направлении. Динамическая вентиляция усиливается через отверстия, удобно расположенные в противоположных стенах и в направлении преобладающих ветров. Скорость, с которой происходит естественная вентиляция, зависит от скорости и направления ветра, близости и размеров препятствий, таких как горы или здания, формы и расположения отверстий для впуска и выпуска воздуха.
1.2. Влияние влажности воздуха
Под влажностью понимается наличие в воздухе газообразного водяного пара, парциальное давление которого не превосходит давления насыщенного пара для данных атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух приводит к уменьшению его плотности, что объясняется более низкой молярной массой воды (18 гр ⁄ мол ) по сравнению с молярной массой сухого воздуха (29 гр ⁄ мол ). Влажный воздух может рассматриваться как смесь идеальных газов, комбинация плотностей каждого из которых позволяет получить требуемое значение для их смеси. Подобная интерпретация позволяет определение значения плотности с уровнем ошибки менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C и может быть выражена следующим образом:
Когда ветер ударит по вольеру, могут образоваться различные области положительного давления и отрицательного давления. Положительное давление, превышающее нормальное атмосферное давление, характеризует движение воздушной массы против вольера и отрицательное притяжение массы воздуха. Поскольку воздух перемещается из точек больше, чем у более низкого давления, если в вольере есть отверстия, положительное давление заставит массу воздуха проникать через отверстия и отказ покинуть. Нет смысла иметь отверстия в одной плоскости, так как давления, равные, не приводят к циркуляции воздуха.
где - плотность влажного воздуха ( кг ⁄ м³ ); p d - парциальное давление сухого воздуха (Па); R d - универсальная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К) ); T - температура (K); p v - давление водяного пара (Па) и R v - универсальная постоянная для пара (461,495 Дж ⁄ (кг·К) ). Давление водяного пара может быть определено исходя из относительной влажности:
Это означает, что для эффективной вентиляции вентиляционные отверстия должны находиться на противоположных стенах. Этот тип естественной вентиляции известен как «перекрестная вентиляция». При естественной вентиляции в вольере, открывая гребень и боковые отверстия, воздух течет от точки высокого давления до точки низкого давления. Если отрицательное давление на гребне больше отрицательного давления на подветренную сторону, воздух течет от последнего к открытому гребню.
В тепловой вентиляции температурные различия вызывают изменения плотности воздуха в вольерах, что приводит к тому, что давление направляется в вертикальном направлении путем вытяжки или термосифона. Эта разность давлений зависит от разности температур воздуха внутри вольера и снаружи, размера отверстий для впуска воздуха и выхода через фонарь и, наконец, разности уровней между этими отверстиями. Этот эффект также называют «эффектом дымохода», и, учитывая естественную вентилируемую вольерную оболочку, этот эффект существует независимо от скорости внешнего воздуха.
где p v - давление водяного пара; φ - относительная влажность и p sat - парциальное давление насыщенного пара, последнее может быть представлено в виде следующего упрощенного выражения:
которое дает результат в миллибарах. Давление сухого воздуха p d определяется простой разницей:
где p обозначает абсолютное давление рассматриваемой системы.
1.3. Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере
Зависимость давления, температуры и плотности воздуха от высоты по сравнению со стандартной атмосферой (p 0 =101325 Па, T 0 =288,15 K, ρ 0 =1,225 кг/м³).
Для вычисления плотности воздуха на определенной высоте в тропосфере могут использоваться следующие параметры (в параметрах атмосферы указано значение для стандартной атмосферы):
- стандартное атмосферное давление на уровне моря - p 0 = 101325 Па;
- стандартная температура на уровне моря - T 0 = 288,15 K;
- ускорение свободного падения над поверхностью Земли - g = 9,80665 м ⁄ сек 2 (при данных вычислениях считается независимой от высоты величиной);
- скорость падения температуры (англ.) русск. с высотой, в пределах тропосферы - L = 0,0065 K ⁄ м ;
- универсальная газовая постоянная - R = 8,31447 Дж ⁄ (Мол·K) ;
- молярная масса сухого воздуха - M = 0,0289644 кг ⁄ Мол .
Для тропосферы (т.е. области линейного убывания температуры - это единственное свойство тропосферы, используемое здесь) температура на высоте h над уровнем моря может быть задана формулой:
Давление на высоте h :
Тогда плотность может быть вычислена подстановкой соответствующих данной высоте h температуры T и давления P в формулу:
Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) и использованы для построения графиков, приведенных справа. Графики нормализованы - показывают обший вид поведения параметров. "Нулевые" значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (градусника и барометра) на данный момент на уровне моря.