De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda

Los diagramas termodinámicos son diagramas que se utilizan para representar los estados termodinámicos de un material (típicamente fluido ) y las consecuencias de manipular este material. Por ejemplo, se puede usar un diagrama de temperatura- entropía (diagrama T – s ) para demostrar el comportamiento de un fluido cuando lo cambia un compresor.

Resumen [ editar ]

Especialmente en meteorología se utilizan para analizar el estado real de la atmósfera derivado de las mediciones de radiosondas , generalmente obtenidas con globos meteorológicos . En tales diagramas, los valores de temperatura y humedad (representados por el punto de rocío ) se muestran con respecto a la presión . Así, el diagrama da a primera vista la estratificación atmosférica real y la distribución vertical del vapor de agua. Un análisis más detallado da la base real y la altura superior de las nubes convectivas o posibles inestabilidades en la estratificación.

Suponiendo la cantidad de energía debida a la radiación solar , es posible predecir la temperatura, la humedad y el viento a 2 m (6,6 pies ) durante el día, el desarrollo de la capa límite de la atmósfera, la aparición y desarrollo de nubes y las condiciones. para volar durante el día.

La característica principal de los diagramas termodinámicos es la equivalencia entre el área en el diagrama y la energía. Cuando el aire cambia de presión y temperatura durante un proceso y prescribe una curva cerrada dentro del diagrama, el área encerrada por esta curva es proporcional a la energía que ha sido ganada o liberada por el aire.

Tipos de diagramas termodinámicos [ editar ]

Los diagramas de propósito general incluyen:

  • Diagrama fotovoltaico
  • Diagrama T – s
  • Diagrama h – s (Mollier)
  • Cuadro psicrométrico
  • Curva de enfriamiento
  • Diagrama indicador
  • Curva de vapor de saturación
  • Superficie termodinámica

Específicamente para los servicios meteorológicos, se utilizan principalmente tres tipos diferentes de diagramas termodinámicos:

  • Diagrama Skew-T log-P
  • Tefigrama
  • Emagram

Los tres diagramas se derivan del diagrama físico P-alfa que combina la presión ( P ) y el volumen específico ( alfa ) como sus coordenadas básicas. El diagrama P-alfa muestra una fuerte deformación de la cuadrícula para las condiciones atmosféricas y, por lo tanto, no es útil en las ciencias atmosféricas . Los tres diagramas se construyen a partir del diagrama P-alfa utilizando transformaciones de coordenadas apropiadas.

No es un diagrama termodinámico en sentido estricto, ya que no muestra la equivalencia energía-área, es el

  • Diagrama de Stüve

Pero debido a su construcción más simple se prefiere en educación. [ cita requerida ]

Características [ editar ]

Los diagramas termodinámicos suelen mostrar una red de cinco líneas diferentes:

  • isobaras = líneas de presión constante
  • isotermas = líneas de temperatura constante
  • adiabatos secos = líneas de temperatura potencial constante que representan la temperatura de una parcela ascendente de aire seco
  • adiabats saturados o pseudoadiabats = líneas que representan la temperatura de una parcela en ascenso saturada con vapor de agua
  • proporción de mezcla = líneas que representan el punto de rocío de una parcela ascendente

El gradiente térmico , gradiente adiabático seco (DALR) y húmeda gradiente adiabático (MALR), se obtienen. Con la ayuda de estas líneas, parámetros como el nivel de condensación de las nubes , el nivel de convección libre , el inicio de la formación de nubes. etc. pueden derivarse de los sondeos.

Ejemplo [ editar ]

La ruta o serie de estados a través de los cuales un sistema pasa de un estado de equilibrio inicial a un estado de equilibrio final [1] y puede verse gráficamente en una presión-volumen (PV), presión-temperatura (PT) y temperatura-entropía ( Ts) diagramas. [2]

Hay un número infinito de caminos posibles desde un punto inicial hasta un punto final en un proceso . En muchos casos, la ruta importa, sin embargo, los cambios en las propiedades termodinámicas dependen solo de los estados inicial y final y no de la ruta. [3]

Figura 1

Considere un gas en un cilindro con un pistón flotante que descansa sobre un volumen de gas V 1 a una temperatura T 1 . Si el gas se calienta de modo que la temperatura del gas suba a T 2 mientras se permite que el pistón suba a V 2 como en la Figura 1 , entonces la presión se mantiene igual en este proceso debido a que se permite que el pistón flote libremente. subir haciendo del proceso un proceso isobárico o un proceso de presión constante. Esta ruta de proceso es una línea recta horizontal desde el estado uno al estado dos en un diagrama PV.

Figura 2

A menudo es valioso calcular el trabajo realizado en un proceso. El trabajo realizado en un proceso es el área debajo de la ruta del proceso en un diagrama PV. Figura 2 Si el proceso es isobárico, entonces el trabajo realizado en el pistón se calcula fácilmente. Por ejemplo, si el gas se expande lentamente contra el pistón, el trabajo realizado por el gas para elevar el pistón es la fuerza F multiplicada por la distancia d. Pero la fuerza es solo la presión P del gas multiplicada por el área A del pistón, F = PA. [4] Así

  • W = Fd
  • W = PAd
  • W = P (V2-V1)
figura 3

Ahora digamos que el pistón no pudo moverse suavemente dentro del cilindro debido a la fricción estática con las paredes del cilindro. Suponiendo que la temperatura se incrementó lentamente, encontrará que la ruta del proceso no es recta y ya no es isobárica, sino que se somete a un proceso isométrico hasta que la fuerza excedió la de la fuerza de fricción y luego se sometería a un proceso isotérmico de regreso a un equilibrio. Expresar. Este proceso se repetirá hasta que se alcance el estado final. Ver figura 3. El trabajo realizado en el pistón en este caso sería diferente debido al trabajo adicional requerido para la resistencia de la fricción. El trabajo realizado debido a la fricción sería la diferencia entre el trabajo realizado en estas dos rutas de proceso.

Muchos ingenieros descuidan la fricción al principio para generar un modelo simplificado. [1] Para obtener información más precisa, la altura del punto más alto, o la presión máxima, para superar la fricción estática sería proporcional al coeficiente de fricción y la pendiente que regresa a la presión normal sería la misma que en un proceso isotérmico. si la temperatura se incrementó a un ritmo lo suficientemente lento. [4]

Otro camino en este proceso es un proceso isométrico . Este es un proceso en el que el volumen se mantiene constante y se muestra como una línea vertical en un diagrama PV. Figura 3 Dado que el pistón no se mueve durante este proceso, no se está realizando ningún trabajo. [1]

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c Termodinámica (tercera edición), Kenneth Wark, McGraw-Hill Inc, 1977, ISBN  0-07-068280-1
  2. ^ Fundamentos de la ingeniería termodinámica (séptima edición), Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey, John Wiley & Sons, Inc., 2011, ISBN 978-0470-49590-2 
  3. ^ Philip E. Bloomfield, William A. Steele, "Procesos termodinámicos", en AccessScience, © McGraw-Hill Companies, 2008, http://www.accessscience.com
  4. ^ a b Física: principios con aplicaciones (segunda edición), Douglas C, Giancoli, Printice Hall, Inc., 1985, ISBN 0-13-672627-5 
  • The Physics of Atmospheres por John Houghton, Cambridge University Press 2002. Especialmente el capítulo 3.3. se ocupa únicamente del tefigrama.
  • Versión alemana del Manual de vuelo en alza meteorológica de la Organisation Scientifique et Technique Internationale du Vol à Voile (OSTIV) (capítulo 2.3)

Lectura adicional [ editar ]

  • Manual de predicción meteorológica para vuelos de altura Nota técnica Nº 158 de la OMM. ISBN 92-63-10495-6, especialmente el capítulo 2.3. 

Enlaces externos [ editar ]

  • www.met.tamu.edu/../aws-tr79-006.pdf Un manual técnico muy extenso (164 páginas) sobre cómo utilizar los diagramas.
  • www.comet.ucar.edu/../sld010.htm Un curso sobre cómo utilizar diagramas en Comet, el 'Programa cooperativo de meteorología operativa, educación y formación'.