Основные параметры и свойства воздуха в атмосфере

Давление характеризует интенсивность силового воздействия окружающей среды в данной точке:

где

Плотность характеризует количество массы воздуха, содержащегося в единице объема:

где

Относительная плотность характеризует изменение плотности в зависимости от высоты:

где r_H и r₀– соответственно плотность на заданной высоте и на уровне Мирового океана.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы и является мерой кинетической энергии молекул. Абсолютная температура T (по шкале Кельвина) связана с температурой (по шкале Цельсия) соотношением

T = 273 + t.

Шкала Кельвина названа по имени английского физика У. Томсона, получившего за научные заслуги титул барона Кельвина, шкала Цельсия названа по имени шведского физика А. Цельсия.

Известные из элементарной физики законы для идеального газа хорошо описывают свойства воздуха в атмосфере, поэтому мы можем связать параметры воздуха уравнением состояния газа (уравнением Менделеева – Клапейрона):

где

Уравнение состояния газа названо в честь русского химика Д. И. Менделеева и французского физика и инженера Б. Клапейрона.
Газовая постоянная может быть выражена через удельные теплоемкости воздуха:

R = c_p - c_v = c_v(k – 1),

где

Таким образом, для воздуха k » 1,41.
Напомним, что теплоемкость определяется количеством теплоты, которое нужно подвести к заданному объему воздуха (или отвести от него) для того, чтобы повысить (или понизить) его температуру на 1K.
Сжимаемость характеризует свойство воздуха изменять свой объем и плотность при изменении давления и температуры.
Упругость характеризует свойство воздуха возвращаться в исходное состояние после прекращения действия сил, вызвавших его деформацию. Естественно, что для воздуха такой деформацией может быть только деформация его объема при всестороннем сжатии.
Свойство сжимаемости и упругости воздуха проявляется в том, что всякое возмущение в нем, т. е. местное сжатие (местное повышение давления и плотности воздуха), распространяется в виде очень малых возмущений – колебаний давления и плотности. Эти колебания происходят со звуковыми частотами и распространяются в виде волн со скоростью звука. Таким образом, скорость звука (скорость распространения звуковой волны в воздухе) характеризует упругость и сжимаемость воздуха.
Скорость движения волны можно определить соотношением

где

Приближенно процесс распространения звуковой волны может рассматриваться как адиабатический, т. е. такой, при котором распространяющаяся волна не получает теплоты извне и не отдает ее окружающей среде. В этом случае и скорость звука выразится соотношением

.

Определив из уравнения состояния газа давление через плотность и подставив значения параметров воздуха в уравнение для скорости звука, получим

,

где

Число M (число Маха, по имени австрийского ученого Э. Маха) – характеристика потока воздуха (газа), равная отношению скорости V воздушного потока (скорости движения тела в воздухе) к скорости звука a в данной точке потока:

Вязкость (или внутреннее трение) характеризует свойство воздуха оказывать сопротивление относительному перемещению своих частиц, а также перемещению в воздухе твердого тела. Причина вязкости – взаимодействие молекул при их хаотическом движении.
Вязкость проявляется в том, что при сдвиге соседних слоев воздуха возникает сила F (сила трения), противодействующая сдвигу:

где

Представим себе две пластинки, между которыми находится слой вязкого воздуха (рис. 3.4).

Рис. 3.4. К объяснению понятия вязкости воздуха

Если одна из пластинок начнет двигаться со скоростьюV₀, то этой же скоростью будет обладать и слой воздуха, непосредственно прилегающий к пластинке. Каждый следующий слой в результате вязкости (трения между слоями) приобретет меньшую скорость. Слой, прилегающий к неподвижной пластинке, останется неподвижным. В этом случае сила F, которую необходимо приложить к пластинке, чтобы заставить ее двигаться со скоростью V₀, определяется как , где – градиент изменения скорости слоя. Коэффициент кинематической вязкости– отношение коэффициента динамической вязкости к плотности среды:

n = m / r.