Термодинамические диаграммы - Thermodynamic diagrams

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса 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 курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${ displaystyle c =}$ ${ displaystyle T}$ ${ displaystyle partial S}$ ${ displaystyle N}$ ${ displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${ displaystyle beta = -}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial p}$ Тепловое 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 Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
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 Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила 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
Книга Категория

Термодинамические диаграммы диаграммы, используемые для представления термодинамический состояния материала (обычно жидкость ) и последствиях манипулирования этим материалом. Например, температура -энтропия диаграмма (T – s диаграмма ) может использоваться для демонстрации поведения жидкости при ее изменении компрессором.

Обзор

Особенно в метеорология они используются для анализа фактического состояния атмосфера полученный из измерений радиозонды, обычно получается с метеорологические шары. На таких диаграммах температура и влажность значения (представленные точка росы ) отображаются относительно давление. Таким образом, диаграмма дает на первый взгляд реальную стратификация атмосферы и вертикальное распределение водяного пара. Дальнейший анализ дает фактическую высоту основания и верха конвективные облака или возможные нестабильности в расслоении.

Предполагая энергия сумма, причитающаяся солнечная радиация можно предсказать 2 м (6.6 футов ) температура, влажность и ветер в течение дня, развитие пограничный слой атмосферы, возникновения и развития облаков и условий для парящего полета в течение дня.

Главной 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 метеорологических служб используются в основном три различных типа термодинамических диаграмм:

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

Все три диаграммы получены из физической диаграммы P – альфа, которая объединяет давление (п) и удельный объем (альфа) в качестве его основных координат. Диаграмма P – альфа показывает сильную деформацию сетки для атмосферных условий и, следовательно, не используется в атмосферные науки. 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.^{[нужна цитата ]}

Характеристики

Термодинамические диаграммы обычно представляют собой сеть из пяти различных линий:

• изобары = линии постоянного давления
• изотермы = линии постоянной температуры
• сухой адиабаты = линии постоянной потенциальной температуры, представляющие температуру поднимающегося пакета сухого воздуха
• насыщенные адиабаты или псевдоадиабаты = линии, показывающие температуру поднимающегося пакета, насыщенного водяным паром
• соотношение смешивания = линии, представляющие точка росы поднимающейся посылки

В скорость отставания, получают сухую адиабатическую градиентную скорость (DALR) и влажную адиабатическую градиентную скорость (MALR). С помощью этих строк 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.^[1] и могут быть просмотрены графически на диаграммах давление-объем (P-V), давление-температура (P-T) и температура-энтропия (T-s).^[2]

Существует бесконечное количество возможных путей от начальной точки до конечной точки в процесс. Однако во многих случаях путь имеет значение, изменения термодинамических свойств зависят только от начального и конечного состояний, а не от пути.^[3]

Рисунок 1

Рассмотрим газ в цилиндре со свободно плавающим поршнем, лежащим наверху объема газа. V₁ при температуре Т₁. Если газ нагревается так, что температура газа поднимается до Т₂ в то время как поршень может подняться до V₂ как в Рисунок 1, то давление в этом процессе остается неизменным из-за того, что свободно плавающий поршень может подниматься, что делает процесс изобарный процесс или процесс постоянного давления. Этот путь процесса представляет собой прямую горизонтальную линию от состояния один до состояния два на диаграмме P-V.

фигура 2

Часто бывает полезно подсчитать работу, проделанную в процессе. Работа, выполняемая в процессе, - это область под процессом на диаграмме P-V. фигура 2 Если процесс изобарический, то работай сделано на поршне, легко рассчитывается. Например, если газ медленно расширяется по направлению к поршню, 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.^[4] Таким образом

• W = Fd
• W = PAd
• W = P (V2-V1)

фигура 3

Теперь предположим, что поршень не мог плавно перемещаться внутри цилиндра из-за статическое трение со стенками цилиндра. Предположив, что температура повышалась медленно, вы обнаружите, что путь процесса не является прямым и больше не изобарическим, а вместо этого претерпевает изометрический процесс пока сила не превысит силу трения, а затем претерпит изотермический процесс обратно в состояние равновесия. Этот процесс будет повторяться до достижения конечного состояния. Видеть фигура 3. Работа, выполняемая с поршнем в этом случае, будет другой 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.^[1] 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.^[4]

Другой путь в этом процессе - изометрический процесс. Это процесс, при котором объем поддерживается постоянным, что отображается вертикальной линией на диаграмме P-V. Рисунок 3 Поскольку во время этого процесса поршень не движется, никаких работ не производится.^[1]

Рекомендации

• Физика атмосферы Джон Хоутон, Cambridge University Press, 2002. Особенно глава 3.3. занимается исключительно тефиграммой.
• Немецкая версия Справочник метеорологического парящего полета от Международная научная и техническая организация (OSTIV) (глава 2.3)

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка

• 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».