Hustota vzduchu jako hustota prostředí a popis veličiny ve vztahu k oboru meteorologie. Na této stránce jsou vyloženy základy týkající se prvku hustota vzduchu. Vyloženy jsou zásady chování hustoty vzdušného prostředí a vyjádření hustoty vzduchu pomocí rovnice. Další potřebné znalosti lze získat z informací na stránce Termodynamika atmosféry. Ve vztahu k letectví jsou další informace na stránce Letecká meteorologie.
Témata stránky: Pojem hustota vzduchu, stavová rovnice, trend hustoty, hustota a vlhkost vzduchu.
Anglické názvy: Air density (hustota vzduchu), inversion (inverze), equation of state (stavová rovnice), humid air (vlhký vzduch), dry air (suchý vzduch), absolute humidity (absolutní vlhkost vzduchu).
ZÁKLADY O HUSTOTĚ VZDUCHU
Než začneme definicí veličiny či prvku hustota vzduchu, tak tento zařaďme. V tomto případě hovoříme o hustotě plynného prostředí, kterým je právě vzduch. Jde o množství hmoty, které připadá na jednotku objemu v tomto případě na objem vzduchu. Takže vyjádření hustoty je v kilogramech na metr krychlový. V případě plynného prostředí nelze hustotu změřit, tento nelze zvážit ani změřit či používat pro vyjádření hustoty vzduchu přístroj hustoměr.
Definice
Hustota vzduchu je měrná hmotnost jednotky objemu vzduchu, jde o opak jednotky měrného objemu vzduchu. Běžným chodem hustoty vzduchu s výškou je její pokles, stejně jako je tomu u teploty vzduchu.
Inverzí hustoty vzduchu je myšlen vzestup hustoty vzduchu s výškou. Dochází k ní při poklesu teploty o více než 3.42°C na 100m výšky. V této situaci dochází k přehřátí vzduchu v přízemní vrstvě, nastává vznik optického jevu zrcadlení. S tím se setkáváme velice často v létě za horkého počasí nad významně rozpálenými povrchy, jak o je zejména asfalt silnice. Hustota vzduchu ovlivňuje aerodynamické a aerostatické síly a znalost tohoto prvku je tedy potřebná zejména v letectví.
Hustota suchého vzduchu je hmotností jednotky objemu suchého vzduchu. Určuje se podle stavové rovnice suchého vzduchu, viz vyjádření.
V oboru termodynamiky atmosféry je suchým vzduchem takový vzduch, který neobsahuje žádnou vodní páru. Obecně se za suchý vzduch považuje i vzduch s nízkou relativní vlhkostí.
Hustota vlhkého vzduchu je hmotností jednotky objemu vlhkého vzduchu. určuje se podle stavové rovnice vlhkého vzduchu, viz vyjádření.
Vlhkým vzduchem je takový vzduch, který je tvořen směsí suchého vzduchu a vodní páry, tato definice platí v termodynamice atmosféry. Obecně je za takový vzduch považován vzduch s vysokou relativní vlhkostí.
Hustota vodní páry je její hmotnost v jednotce objemu vlhkého vzduchu, která se označuje jako absolutní vlhkost vzduchu. Tato je vyjádřena v kg/m3.
V další části stránky je pojednáno o vyjadřování hustoty vzduchu podle stavové rovnice a též zásady jejího trendu za určitého chodu teploty, vlhkosti a tlaku vzduchu.
Vyjádření hustoty vzduchu
Hustotu vzduchu je možno vyjádřit na základě výše uvedeného pomocí rovnice. Jde o stanovou rovnici s tlakem a teplotou, které nelze v případě plynů měřit.
Stavová rovnice plynu
Suchý vzduch: pd = ρd R*/mdT=ρdRdT
Vlhký vzduch: e = ρvRvT
Stavová rovnice vlhkého vzduchu
p = ρRdTv = ρRd, ρdRd + ρvRv/ρRdT
Vysvětlivky: pd = tlak suchého vzduchu, Pd = hustota suchého vzduchu, T = teplota, md = efektivní molekulární hmotnost suchého vzduchu. Dále R* = univerzální plynová konstanta, Rd = měrná plynová konstanta pro suchý vzduch. U druhé rovnice: e = parciální tlak vodní páry ve vlhkém vzduchu, Pv = hustota vodní páry, Rv = měrná plynová konstanta pro vodní páru, T = teplota.
Více na v úvodu této stránky uvedené stránce o termodynamice atmosféry.
Trend hustoty vzduchu
Hustota vzduchu s výškou v atmosféře klesá stejně jako tlak logaritmicky. Klesá pomaleji než tlak to v důsledku protikladného působení tlaku a teploty. Klesající tlak snižuje hodnoty hustoty vzduchu a snižující se teplota naopak. Tlak snižuje hodnoty hustoty více než je zvyšuje klesající teplota. Nedojde ale k odpadnutí vlivu poklesu tlaku, jen dochází ke zpomalení poklesu hustoty vzduchu. To vše v případě suchého vzduchu! Pro něj platí i následující.
Hustota vzduchu klesá s:
- Rostoucí teplotou
- Klesajícím tlakem
- Rostoucí vlhkostí
V případě přísunu molekul vody do vzduchu, kdy se tedy do vzduchu suchého dostane voda a tento se stává vlhkým. Tím je takový vzduch lehčí než v případě absence vody a sníží se tím tedy i hustota tohoto vzduchu. Například se letadlo za jinak shodných podmínek v atmosféře vznáší dříve v suchém vzduchu. V případě prohřátého povrchu je hustota vzduchu nižší než při přísunu studeného vzduchu.
Pro další informace též doporučujeme informace o souvisejících prvcích s vlivem na hustotu. Tyto najdete na našich stránkách Teplota vzduchu, Vlhkost vzduchu a Tlak vzduchu.
Poměr hustot dvou plynů se rovná poměru hmotností molekul těchto plynů.
Izobarický a adiabatický děj
Krátce ve vztahu k hustotě vzduchu připomeňme dva zásadní termodynamické děje v atmosféře. V případě izobarického děje nedochází ke změně tlaku plynu (v případě meteorologie vzduchu) při průběhu tohoto děje. Tlak plynu se rovná součinu hmotnosti, měrné plynové konstanty a teploty, dělen je objemem. Adiabatický děj je v meteorologii velmi významný a při výskytu tohoto procesu nedochází k výměně tepelné energie dané části vzduchu s okolím. Teplo částice vzduchu je neměnné bez ohledu na změnu tlaku či objemu tohoto vzduchu.
Hustotu vzduchu dále ovlivňuje jeho vlhkost. Podle obsahu vlhkosti dělíme vzduch na suchý (bez obsahu vody) – s obsahem dusíku, kyslíku a malého množství dalších plynů. Vlhký vzduch, který obsahuje nějakou vodu, ale ne její maximální množství ve vztahu k určité teplotě. Nasycený vzduch má při dané teplotě svoji kapacitu zcela naplněnu vodou. Pokud by docházelo k dalšímu zvyšování obsahu vody v tomto vzduchu, odehrávala by se kondenzace jako jeden z fázových přechodů vody. Přebytečné molekuly vody by se spojovaly do mikrometrických kapiček a docházelo by ke vzniku oblaku/mlhy.
Reference a doporučená literatura
DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017.
ŘEZÁČOVÁ, D. SETVÁK, M. NOVÁK, M. KAŠPAR, M. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007.
DVOŘÁK, P. Škola letecké meteorologie, 12. díl – Hustota vzduchu. Flying revue. Online, 13.8.2020. Dostupné na flying-revue.cz.