Термодинамические диаграммы - Thermodynamic diagrams

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Нагревать Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость   ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Термическое расширение   ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Категория
v т е

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 компрессором.

Обзор

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

Предполагая количество энергии, обусловленное солнечным излучением, можно предсказать температуру, влажность и ветер на 2 м (6,6 фута ) в течение дня, развитие пограничного слоя атмосферы, возникновение и развитие облаков и условия. для парящего полета днем.

Основной особенностью термодинамических диаграмм является эквивалентность площади на диаграмме и энергии. Когда воздух изменяет давление и температуру во время процесса и задает замкнутую кривую на диаграмме, площадь, ограниченная этой кривой, пропорциональна энергии, которая была получена или высвобождена воздухом.

Типы термодинамических диаграмм

Диаграммы общего назначения включают:

• Диаграмма PV
• T – s диаграмма
• диаграмма h – s (Молье)
• Психрометрическая диаграмма
• Кривая охлаждения
• Индикаторная диаграмма
• Кривая насыщенного пара
• Термодинамическая поверхность

Для метеорологического обслуживания используются в основном три различных типа термодинамических диаграмм:

• Диаграмма Skew-T log-P
• Тефиграмма
• Эмаграмма

Все три диаграммы получены из физической диаграммы P – альфа, которая сочетает в себе давление ( P ) и удельный объем ( альфа ) в качестве основных координат. Диаграмма P – alpha показывает сильную деформацию сетки для атмосферных условий и поэтому не используется в атмосферных науках . Три диаграммы построены из диаграммы P – alpha с использованием соответствующих преобразований координат.

Не термодинамическая диаграмма в строгом смысле слова, поскольку она не отображает эквивалентность энергии и площади, является

• Диаграмма Стюве

Но из-за его более простой конструкции предпочтение отдается в образовании.

Характеристики

Термодинамические диаграммы обычно представляют собой сеть из пяти различных линий:

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

Скорость падения , сухой адиабатический градиент (DALR) и влажный адиабатический градиент (MALR), получается. С помощью этих линий можно определить такие параметры, как уровень конденсации облаков , уровень свободной конвекции , начало образования облаков. и т.д. могут быть получены из зондирований.

Пример

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

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

фигура 1

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 поршню позволяют подняться до V _2, как показано на рисунке 1, то давление в этом процессе остается неизменным из-за того, что поршень может свободно перемещаться. подняться, делая процесс изобарическим процессом или процессом постоянного давления. Этот технологический путь представляет собой прямую горизонтальную линию от состояния один до состояния два на фотоэлектрической диаграмме.

фигура 2

Часто бывает полезно подсчитать работу, проделанную в процессе. Работа, выполняемая в процессе, - это область под технологической цепочкой на фотоэлектрической диаграмме. Рис. 2 Если процесс изобарический, то работу, выполняемую над поршнем, легко рассчитать. Например, если газ медленно расширяется относительно поршня, работа, выполняемая газом для подъема поршня, равна силе F, умноженной на расстояние d . Но сила равна давлению P газа, умноженному на площадь A поршня, F = PA . Таким образом

• W = Fd
• W = PAd
• W = P ( V ₂ - V ₁ )

фигура 3

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

Многие инженеры сначала пренебрегают трением, чтобы построить упрощенную модель. Для получения более точной информации высота наивысшей точки или максимальное давление, превышающее статическое трение, будет пропорциональна коэффициенту трения, а наклон, возвращающийся к нормальному давлению, будет таким же, как при изотермическом процессе, если температура увеличивался достаточно медленно.

Другой путь в этом процессе - изометрический процесс . Это процесс, при котором объем поддерживается постоянным, что отображается вертикальной линией на диаграмме PV. Рис. 3 Поскольку во время этого процесса поршень не движется, никаких работ не производится.

Рекомендации

• Физика атмосферы , Джон Хоутон, Cambridge University Press, 2002. Особенно глава 3.3. занимается исключительно тефиграммой.
• Немецкая версия Справочника по метеорологическому парящему полету от Международной научной и технической организации (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 по оперативной метеорологии, образованию и обучению».