Hustota vzduchu
Hustota vzduchu jako hustota prostředí a popis veličiny ve vztahu k oboru meteorologie. Na této stránce jsou vyloženy základy týkající se tohoto meteorologického prvku. Vyloženy jsou zásady chování hustoty vzdušného prostředí a vyjádření hustoty 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, stavová rovnice, trend, vztah k vlhkosti 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, tak tento nejprve 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 přístroj hustoměr.
Definice pojmu
Měrná hmotnost jednotky objemu vzduchu, jde o opak jednotky měrného objemu vzduchu. Běžným chodem hustoty s výškou je její pokles, stejně jako je tomu u teploty vzduchu.
Inverzí hustoty 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 ovlivňuje aerodynamické a aerostatické síly a znalost tohoto prvku je tedy potřebná zejména v letectví.
V případě suchého vzduchu = hmotnost 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.
V případě vlhkého vzduchu = hmotnost 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 podle stavové rovnice a též zásady jejího trendu za určitého chodu teploty, vlhkosti a tlaku vzduchu.
Vyjádření
Hustotu můžeme 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
Tato 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 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. To vše v případě suchého vzduchu! Pro něj platí i následující.
Hustota 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 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 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.