المخططات الديناميكية الحرارية

المخططات الديناميكية الحرارية هي مخططات تُستخدم لتمثيل الحالات الديناميكية الحرارية لمادة ما (عادةً سائل ) وتأثيرات معالجتها. على سبيل المثال، يمكن استخدام مخطط درجة الحرارة- الإنتروبيا ( مخطط T-s ) لتوضيح سلوك سائل عند تغييره بواسطة ضاغط.

تُستخدم هذه المخططات، وخاصة في علم الأرصاد الجوية، لتحليل الحالة الفعلية للغلاف الجوي المستمدة من قياسات المجسات الراديوية، والتي تُجرى عادةً باستخدام بالونات الأرصاد الجوية. في هذه المخططات، تُعرض قيم درجة الحرارة والرطوبة ( الممثلة بنقطة الندى ) بالنسبة للضغط الجوي . وبالتالي ، يُعطي المخطط لمحة أولية عن التطبق الجوي الفعلي وتوزيع بخار الماء الرأسي. ويُتيح التحليل المُعمق تحديد الارتفاع الفعلي لقاعدة وقمة السحب الركامية أو أي اضطرابات محتملة في التطبق الجوي.

من خلال افتراض كمية الطاقة الناتجة عن الإشعاع الشمسي، من الممكن التنبؤ بدرجة الحرارة والرطوبة والرياح على ارتفاع مترين (6.6 قدم ) خلال النهار، وتطور الطبقة الحدودية للغلاف الجوي، وحدوث السحب وتطورها، وظروف الطيران الشراعي خلال النهار.

تتمثل السمة الرئيسية للمخططات الديناميكية الحرارية في التكافؤ بين المساحة في المخطط والطاقة. فعندما يتغير ضغط الهواء ودرجة حرارته أثناء عملية ما، ويرسم منحنى مغلقًا داخل المخطط، فإن المساحة المحصورة بهذا المنحنى تتناسب طرديًا مع الطاقة التي اكتسبها الهواء أو أطلقها.

تشمل المخططات ذات الأغراض العامة ما يلي:

• مخطط الطاقة الشمسية الكهروضوئية
• مخطط T–s
• مخطط مولير (h–s)
• مخطط سيكرومتري
• منحنى التبريد
• مخطط المؤشر
• منحنى بخار التشبع
• سطح ديناميكي حراري

فيما يخص خدمات الأرصاد الجوية تحديداً، تُستخدم أربعة أنواع مختلفة من المخططات الديناميكية الحرارية بشكل رئيسي:

• مخطط Skew-T log-P
• تيفيجرام
• إيماجرام
• مخطط ستوف (ليس مخططًا ديناميكيًا حراريًا بالمعنى الدقيق للكلمة، لأنه لا يُظهر تكافؤ الطاقة والمساحة، ولكن نظرًا لبنيته الأبسط، فإنه يُفضل استخدامه في التعليم).

جميع المخططات الأربعة مشتقة من مخطط الضغط-الحجم النوعي الفيزيائي، الذي يجمع بين الضغط ( P ) والحجم النوعي ( α ) كإحداثيات أساسية. يُظهر مخطط الضغط-الحجم النوعي تشوهًا كبيرًا في الشبكة عند تطبيقه على الظروف الجوية، ولذلك فهو غير مفيد في علوم الغلاف الجوي . تُنشأ المخططات من مخطط الضغط-الحجم النوعي باستخدام تحويلات إحداثيات مناسبة.

هناك مخطط آخر شائع الاستخدام لا يعرض تكافؤ الطاقة والمساحة وهو مخطط θ-z (مخطط ارتفاع ثيتا)، والذي يستخدم على نطاق واسع في علم الأرصاد الجوية للطبقة الحدودية .

عادةً ما تُظهر المخططات الديناميكية الحرارية شبكة من خمسة خطوط مختلفة:

• خطوط تساوي الضغط = خطوط الضغط الثابت
• خطوط تساوي درجة الحرارة = خطوط درجة الحرارة الثابتة
• الخطوط الأديباتية الجافة = خطوط درجة الحرارة الكامنة الثابتة التي تمثل درجة حرارة كتلة الهواء الجاف الصاعدة
• الخطوط الأديباتية المشبعة أو شبه الأديباتية = خطوط تمثل درجة حرارة كتلة صاعدة مشبعة ببخار الماء
• نسبة الخلط = خطوط تمثل نقطة ندى كتلة هوائية صاعدة

يتم الحصول على معدل التدرج الحراري ، ومعدل التدرج الحراري الجاف (DALR)، ومعدل التدرج الحراري الرطب (MALR). وبمساعدة هذه الخطوط، يمكن استخلاص معايير مثل مستوى تكثف السحب ، ومستوى الحمل الحراري الحر ، وبداية تشكل السحب، وغيرها من القياسات الجوية.

المسار أو سلسلة الحالات التي يمر بها النظام من حالة توازن ابتدائية إلى حالة توازن نهائية ^{[ 1 ]} ويمكن عرضها بيانياً على مخططات الضغط-الحجم (PV) والضغط-درجة الحرارة (PT) ودرجة الحرارة-الإنتروبيا (Ts). ^{[ 2 ]}

يوجد عدد لا نهائي من المسارات الممكنة من نقطة البداية إلى نقطة النهاية في أي عملية . وفي كثير من الحالات، يكون للمسار أهمية، إلا أن التغيرات في الخصائص الديناميكية الحرارية تعتمد فقط على الحالتين الابتدائية والنهائية، وليس على المسار. ^{[ 3 ]}

_{لنفترض وجود} غاز في أسطوانة مع مكبس حر الحركة يستقر فوق حجم من الغاز V1 عند درجة حرارة T1 . إذا تم تسخين الغاز حتى ترتفع درجة حرارته إلى T2 بينما يُسمح للمكبس بالارتفاع إلى _{V2 كما في الشكل 1 ،} فإن الضغط يبقى ثابتًا في هذه العملية نظرًا لارتفاع المكبس الحر الحركة، مما يجعل العملية عملية متساوية الضغط. يُمثل مسار هذه العملية خطًا أفقيًا مستقيمًا من الحالة الأولى إلى الحالة الثانية على مخطط الضغط والحجم.

من المفيد غالبًا حساب الشغل المبذول في عملية ما. يُمثل الشغل المبذول في عملية ما المساحة أسفل مسار العملية على مخطط الضغط والحجم (PV). الشكل 2. إذا كانت العملية متساوية الضغط، فمن السهل حساب الشغل المبذول على المكبس. على سبيل المثال، إذا تمدد الغاز ببطء باتجاه المكبس، فإن الشغل الذي يبذله الغاز لرفع المكبس يساوي القوة F مضروبة في المسافة d . لكن القوة هي ببساطة ضغط الغاز P مضروبًا في مساحة المكبس A ، أي F = PA . ^{[ 4 ]} وبالتالي

• W = Fd
• W = وسادة
• W = P ( V ₂ − V ₁ )

لنفترض الآن أن المكبس لم يتمكن من الحركة بسلاسة داخل الأسطوانة بسبب الاحتكاك الساكن مع جدرانها. بافتراض زيادة درجة الحرارة تدريجيًا، ستجد أن مسار العملية لم يعد مستقيمًا ولم يعد متساوي الضغط، بل سيخضع لعملية متساوية القياس حتى تتجاوز القوة قوة الاحتكاك، ثم يخضع لعملية متساوية الحرارة للعودة إلى حالة التوازن. ستتكرر هذه العملية حتى الوصول إلى الحالة النهائية. انظر الشكل 3. سيكون الشغل المبذول على المكبس في هذه الحالة مختلفًا بسبب الشغل الإضافي المطلوب لمقاومة الاحتكاك. سيكون الشغل المبذول بسبب الاحتكاك هو الفرق بين الشغل المبذول على مساري العملية هذين.

يتجاهل العديد من المهندسين الاحتكاك في البداية لإنشاء نموذج مبسط. ^{[ 1 ]} وللحصول على معلومات أكثر دقة، فإن ارتفاع أعلى نقطة، أو أقصى ضغط، لتجاوز الاحتكاك الساكن يتناسب طرديًا مع معامل الاحتكاك، ويكون ميل المنحنى العائد إلى الضغط الطبيعي مماثلاً لعملية متساوية الحرارة إذا تم رفع درجة الحرارة بمعدل بطيء بما فيه الكفاية. ^{[ 4 ]}

مسار آخر في هذه العملية هو العملية متساوية القياس . وهي عملية يبقى فيها الحجم ثابتًا، ويظهر ذلك كخط عمودي على مخطط الضغط والحجم ( الشكل 3) . بما أن المكبس لا يتحرك خلال هذه العملية، فلا يُبذل أي شغل. ^{[ 1 ]}

• الديناميكا الحرارية
• الجدول الزمني للديناميكا الحرارية

• كتاب فيزياء الغلاف الجوي لجون هوتون، مطبعة جامعة كامبريدج 2002. وخاصة الفصل 3.3. يتناول فقط التيفيجرام.
• النسخة الألمانية من دليل الرحلات الجوية المحلقة للأرصاد الجوية من المنظمة العلمية والتقنية الدولية du Vol à Voile (OSTIV) (الفصل 2.3)

• دليل التنبؤات الجوية للطيران الشراعي ، مذكرة فنية رقم 158، المنظمة العالمية للأرصاد الجوية. ISBN 92-63-10495-6وخاصة الفصل 2.3.

• www.met.tamu.edu/../aws-tr79-006.pdf دليل فني ضخم (164 صفحة) يشرح كيفية استخدام الرسوم البيانية.
• www.comet.ucar.edu/../sld010.htm دورة تدريبية حول كيفية استخدام الرسوم البيانية في Comet، "البرنامج التعاوني للأرصاد الجوية التشغيلية والتعليم والتدريب".