열역학도

열역학 다이어그램은 물질의 열역학 상태(일반적으로 유체)와 이 물질을 조작하는 결과를 나타내기 위해 사용되는 다이어그램이다. 예를 들어, 온도-엔트로피 다이어그램(T–s 다이어그램)을 사용하여 압축기에 의해 변함에 따른 유체의 동작을 입증할 수 있다.

개요

특히 기상학에서는 주로 풍선으로 얻은 라디오폰드의 측정에서 도출된 대기의 실제 상태를 분석하는 데 사용된다. 이러한 다이어그램에서 압력과 관련하여 온도 및 습도 값(이슬 지점으로 표시됨)이 표시된다. 따라서 도표는 실제 대기 층화와 수직 수증기 분포를 한눈에 보여준다. 추가 분석을 통해 대류 구름의 실제 베이스와 최고 높이 또는 층화에서 발생할 수 있는 불안정성을 파악할 수 있다.

태양 복사에 의한 에너지량을 가정하면 낮 동안 2m(6.6ft)의 온도, 습도, 바람, 대기의 경계층 발달, 구름의 발생 및 발달, 낮 동안 치솟는 비행 조건 등을 예측할 수 있다.

열역학 다이어그램의 주요 특징은 다이어그램의 면적과 에너지 사이의 동등성이다. 공기의 압력 및 온도가 변화하고 다이어그램 내에서 닫힌 곡선을 규정하는 경우, 이 곡선으로 둘러싸인 면적은 공기로 얻거나 방출된 에너지에 비례한다.

열역학 다이어그램의 유형

범용도에는 다음이 포함된다.

• PV 다이어그램
• T-s 도표
• h-s(몰리어) 다이어그램
• 사이크로메트릭 차트
• 냉각 곡선
• 지시도
• 포화증기곡선
• 열역학적 표면

기상 서비스에 한정하여 주로 세 가지 유형의 열역학 다이어그램이 사용된다.

• 스큐-T log-P 다이어그램
• 테피그람
• 에마그램

세 도표는 모두 압력(P)과 특정 체적(알파)을 기본 좌표로 결합한 물리적 P-알파 도표에서 도출한 것이다. P-알파 도표는 대기 조건에 대한 그리드의 강한 변형을 나타내며 따라서 대기 과학에는 유용하지 않다. 세 개의 도표는 적절한 좌표 변환을 사용하여 P-알파 도표에서 생성된다.

엄밀한 의미에서 열역학 다이어그램은 에너지 영역 등가성을 나타내지 않기 때문에 다음과 같다.

• 스투브 도표

그러나 그것의 단순한 건설 때문에 교육에서는 그것이 더 선호된다.^{[citation needed]}

특성.

열역학 다이어그램은 보통 다섯 개의 다른 선으로 이루어진 그물을 보여준다.

• 등가선 = 일정한 압력선
• 등온도 = 일정한 온도 선
• 건조 보조기 = 건조 공기 상승 구획의 온도를 나타내는 일정한 전위 온도의 선
• 포화 아디아바트 또는 유사디아바트 = 수증기로 포화된 상승 소포의 온도를 나타내는 선
• 혼합비 = 상승 소포의 이슬점을 나타내는 선

경과율, 건식 단열 착실률(DALR) 및 습식 단열 착실률(MALR)을 구한다. 이러한 선들의 도움으로, 구름 응축 수준, 자유 대류 수준, 구름 형성의 시작과 같은 매개변수들이 있다. 기타는 소리로부터 파생될 수 있다.

예

시스템이 초기 평형 상태에서 최종 평형 상태로^[1] 통과하는 경로 또는 일련의 상태를 압력-량(P-V), 압력-온도(P-T), 온도-엔트로피(T-s) 다이어그램에서 그래픽으로 볼 수 있다.^[2]

프로세스의 초기 지점에서 종료 지점까지 가능한 경로의 수는 무한하다. 그러나 많은 경우, 경로가 중요한 것은 열역학적 특성의 변화는 초기 상태와 최종 상태에 따라 달라지며, 경로에 따라 달라지지 않는다.^[3]

자유 부유 피스톤이 온도 T에서₁ 가스 V 볼륨₁ 위에 놓여 있는 실린더의 가스를 고려한다. 그림 1과 같이 피스톤이 V까지₂ 상승할 수 있는 동안 가스의 온도가 T까지 올라가도록₂ 가스를 가열하면 자유 부유 피스톤이 상승할 수 있기 때문에 이 과정에서 압력이 동일하게 유지되어 공정이 이소바르식 공정 또는 일정한 압력 공정이 된다. 이 프로세스 경로는 P-V 다이어그램에서 상태 1에서 상태 2까지의 직선 수평선이다.

어떤 과정에서 이루어진 일을 계산하는 것은 종종 가치가 있다. 공정에서 수행되는 작업은 P-V 도표의 공정 경로 아래 영역이다. 그림 2 프로세스가 등거리인 경우 피스톤에서 수행된 작업은 쉽게 계산된다. 예를 들어 가스가 피스톤에 대해 천천히 팽창하는 경우 가스가 피스톤을 상승시키기 위해 하는 작업은 거리 d의 F배인 힘이다. 그러나 힘은 가스의 압력 P에 피스톤의 A 면적을 곱한 값일 뿐이다.^[4] 그러므로

• W = Fd
• W = PAd
• W = P(V₂ − V₁)

이제 피스톤이 실린더의 벽과 정적 마찰로 인해 실린더 내에서 원활하게 움직일 수 없었다고 하자. 온도가 천천히 증가했다고 가정하면 공정 경로가 직선적이지 않고 이소바르식도 아닌 힘이 마찰력을 초과할 때까지 등온 과정을 거친 후 평형 상태로 되돌아가는 등온 과정을 겪게 된다. 이 과정은 종료 상태에 도달할 때까지 반복될 것이다. 그림 3을 참조하십시오. 이 경우 피스톤에 대한 작업은 마찰 저항성에 필요한 추가 작업으로 인해 달라질 수 있다. 마찰로 인해 수행된 작업은 이 두 프로세스 경로에서 수행된 작업 간의 차이일 것이다.

많은 엔지니어들이 단순화된 모델을 만들기 위해 처음에는 마찰을 소홀히 한다.^[1] 보다 정확한 정보를 위해서는 정적 마찰을 능가하는 최고점 높이, 즉 최대 압력이 마찰계수에 비례하고 정상압력으로 다시 내려가는 기울기는 온도가 충분히 느린 속도로 상승한다면 등온과정과 같을 것이다.^[4]

이 과정의 또 다른 경로는 등축 과정이다. 이것은 P-V 다이어그램에 수직선으로 표시되는 볼륨을 일정하게 유지하는 과정이다. 그림 3 이 과정에서 피스톤이 움직이지 않기 때문에 어떠한 작업도 수행되지 않는다.^[1]

참조

• John Houghton에 의한 대기 물리학, 2002년 캠브리지 대학 출판부. 특히 3.3장에서는 테피그람만을 다룬다.
• 국제기상과학기법(OSTIV)에서 치솟는 기상학적 비행의 독일판 핸드북(2.3장)

추가 읽기

• 급상승하는 WMO 기술주 158호에 대한 기상 예측 핸드북. ISBN 92-63-10495-6 특히 2.3장.

외부 링크

• www.met.tamu.edu/../aws-tr79-006.pdf 매우 큰 기술 매뉴얼(문서 페이지) 다이어그램 사용 방법.
• www.comet.ucar.edu/../sld010.htm '운행 기상학, 교육 및 훈련을 위한 협력 프로그램' 혜성에서 도표를 사용하는 방법에 대한 강좌.