3.6. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе

Если воздух влажный, но ненасыщенный, то термодинамические процессы в нем с количественной стороны не будут существенно отличаться от процессов во влажном воздухе. Если единичной массе влажного воздуха сообщается некоторое количество тепла dq , то оно расходуется на работу расширения dw=pd_i , изменение внутренней энергии сухой частицы воздуха du_c=(1-s)c_cdT_i и водяного пара du_=sc_dT_i ( s  доля водяного пара, c_c и c_ удельные теплоемкости сухоговоздуха и водяного пара при постоянном объеме).

В соответствии с первым началом термодинамики

или

(24)

Если воспользоваться уравнением состояния влажного воздуха

то уравнение (24) можно привести к виду (см )

(25)

где c_pc и c_p  удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара при постоянном давлении, R=R_c(1-s)+R_s  удельная газовая постоянная влажного воздуха.

При адиабатическом подъеме влажного ненасыщенного воздуха изменение температуры, отнесенное к единице высоты, согласно с учетом уравнении статики равно

. (26)

Здесь Re  удельная газовая постоянная окружающего частицу воздуха.

Доля пара в реальных условиях не превышает 0.03-0.04, это значит, что R и R_e близки к удельной газовой постоянной сухого воздуха RReRc, (1-s)c_pc+sc_pП  c_pc. С учетом этого формула (26) принимает вид

.

Таким образом, температура влажной ненасыщенной частицы изменяется при адиабатическом подъеме практически так же, как и температура сухой частицы, а кривой состояния влажного ненасыщенного воздуха служит сухая адиабата.

3.7. Влажноадиабатические процессы

Влажноадиабатическим называется адиабатический процесс, протекающий во влажном насыщенном воздухе. При таком процессе происходит конденсация водяного пара или испарение капель воды.

Термодинамические процессы во влажном насыщенном воздухе существенно отличаются от процессов в сухом и во влажном ненасыщенном воздухе не только с количественной, но и с качественной стороны. До тех пор пока влажный воздух не насыщен, его состояние меняется по сухоадиабатическому закону. Температура частицы при подъеме уменьшается (практически на 1С /100 м), доля пара сохраняется постоянной (s=const), поскольку не происходит конденсации водяного пара. Относительная же влажность адиабатически поднимающейся частицы возрастает с увеличением высоты (это утверждение доказывается в п.). Таким образом, при адиабатическом подъеме влажной ненасыщенной частицы наступает такой момент, когда частица достигает состояния насыщения (f=100%). Уровень, на котором влажный ненасыщенный воздух достигает состояния насыщения, называется уровнем конденсации и обозначается z_к, температура и давление на этом уровне обозначаются соответственно Т_к и р_к.

Если влажная насыщенная частица поднимется выше уровня конденсации, то вследствие дальнейшего понижения температуры начнется конденсация водяного пара. При конденсации выделяется скрытая теплота параобразования (около 2500 кДж на 1 кг водяного пара), в результате чего температурачастицы выше уровня конденсации понижается медленнее: частьработы расширения совершается за счет теплоты конденсации ( в то время как до достижения состояния насыщения работа расширения выполнялась только за счет внутренней энергии).

Кривая состояния насыщенной частицы при ее адиабатическом подъеме называется влажной адиабатой, а изменение температуры частицы при подъеме на единицу высоты при влажноадиабатическом процессе – влажноадиабатическим градиентом .

Из изложенного следует, что при влажноадиабатическом процессе: а) температура поднимающейся частицы уменьшается с высотой, но медленнее, чем при сухоадиабатическом процессе; б) доля пара s_m вследствие конденсации уменьшается с высотой; в) относительная влажность поднимающегося воздуха постоянна (f=100%).

Адиабатический подъем влажного воздуха до достижения состояния насыщения называется сухой стадией, а в состоянии насыщения – влажной стадией (рис.).

Рис. Кривая состояния влажного воздуха. 1- сухая адиабата, 2- влажная адиабата.