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, когда она изменяется компрессором.
Особенно в метеорологии они используются для анализа фактического состояния атмосферы , полученного из измерений радиозондов , обычно полученных с помощью метеозондов . На таких диаграммах значения температуры и влажности (представленные точкой росы ) отображаются относительно давления . Таким образом, диаграмма дает на первый взгляд фактическую 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 , получаемое за счет солнечного излучения , можно предсказать температуру на высоте 2 м (6,6 фута ), влажность и ветер в течение дня, развитие пограничного слоя атмосферы, возникновение и развитие облаков, а также условия для парящего полета в течение дня.
Главной особенностью термодинамических диаграмм является эквивалентность между площадью на диаграмме и энергией. Когда воздух изменяет давление и температуру в ходе процесса и описывает замкнутую кривую внутри диаграммы, площадь, ограниченная этой кривой, пропорциональна энергии, которая была получена или выделена воздухом.
Диаграммы общего назначения включают в себя:
В метеорологических службах в основном используются три различных типа термодинамических диаграмм:
Все три диаграммы получены из физической диаграммы P–alpha, которая объединяет давление ( P ) и удельный объем ( альфа ) в качестве своих основных координат. Диаграмма P–alpha показывает сильную деформацию сетки для атмосферных условий и поэтому бесполезна в атмосферных науках . Три диаграммы построены из диаграммы P–alpha с использованием соответствующих преобразований координат.
Не является термодинамической диаграммой в строгом смысле, поскольку она не отображает эквивалентность энергии и площади.
Но из-за более простой конструкции он более предпочтителен в образовании. [ необходима цитата ]
Еще одна широко используемая диаграмма, которая не отображает эквивалентность энергии и площади, — это диаграмма θ-z (диаграмма тета-высоты), широко используемая в метеорологии пограничного слоя.
Термодинамические диаграммы обычно представляют собой сетку из пяти различных линий:
Получаются градиент , сухой адиабатический градиент (DALR) и влажный адиабатический градиент (MALR ) . С помощью этих линий можно получить из зондирований такие параметры, как уровень конденсации облаков , уровень свободной конвекции , начало образования облаков и т. д.
Путь или ряд состояний, через которые система проходит от начального состояния равновесия до конечного состояния равновесия [1] , которые можно графически отобразить на диаграммах давление-объем (PV), давление-температура (PT) и температура-энтропия (Ts). [2]
Существует бесконечное число возможных путей от начальной точки до конечной точки в процессе . Во многих случаях путь имеет значение, однако изменения термодинамических свойств зависят только от начального и конечного состояний, а не от пути. [3]
Рассмотрим газ в цилиндре со свободно плавающим поршнем, покоящимся на поверхности объема газа V 1 при температуре T 1 . Если газ нагревается так, что температура газа повышается до T 2 , в то время как поршню позволяют подняться до V 2 , как на рисунке 1, то давление в этом процессе сохраняется прежним из-за того, что свободно плавающему поршню позволяют подняться, что делает процесс изобарическим процессом или процессом постоянного давления. Этот путь процесса представляет собой прямую горизонтальную линию от состояния один до состояния два на диаграмме PV.
Часто бывает полезно рассчитать работу, выполненную в процессе. Работа, выполненная в процессе, — это площадь под путем процесса на диаграмме PV. Рисунок 2 Если процесс изобарический, то работа, выполненная на поршне, легко вычисляется. Например, если газ медленно расширяется против поршня, работа, выполненная газом для поднятия поршня, — это сила F, умноженная на расстояние d . Но сила — это всего лишь давление P газа, умноженное на площадь A поршня, F = PA . [4] Таким образом,
Теперь предположим, что поршень не мог плавно двигаться внутри цилиндра из-за статического трения о стенки цилиндра. Предположив, что температура увеличивалась медленно, вы бы обнаружили, что путь процесса не является прямым и больше не изобарическим, а вместо этого подвергся бы изометрическому процессу до тех пор, пока сила не превысит силу трения, а затем подвергся бы изотермическому процессу обратно в состояние равновесия. Этот процесс повторялся бы до тех пор, пока не было бы достигнуто конечное состояние. Смотрите рисунок 3. Работа, совершаемая над поршнем в этом случае, была бы другой из-за дополнительной работы, необходимой для сопротивления трению. Работа, совершаемая из-за трения, была бы разницей между работой, совершаемой 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, превышающее статическое трение, будут пропорциональны коэффициенту трения, а наклон, возвращающийся к нормальному давлению, будет таким же, как и изотермический процесс, если температура повышается достаточно медленно. [4]
Другой путь в этом процессе — изометрический процесс . Это процесс, в котором объем сохраняется постоянным, что отображается вертикальной линией на диаграмме PV. Рисунок 3 Поскольку поршень не движется во время этого процесса, работа не выполняется. [1]
