4.8. Волого-адіабатичні процеси
Вологоадіабатичний називається адіабатичний процес, що протікає у вологому насиченому повітрі. При такому процесі відбувається конденсація водяної пари або випаровування крапель води.
Термодинамічні процеси у вологому насиченому повітрі суттєво відрізняються від процесів у сухому та вологому ненасиченому повітрі не лише з кількісного, але й з якісного боку. Щоб переконатися у цьому, розглянемо процес адіабатичного підйому вологого повітря. Доки вологе повітря
не насичений, його стан змінюється за сухоадіабатичним законом. Температура частки при підйомі зменшується (практично на 1 ° С на 100 м), частка пари зберігається постійною (s = const), оскільки не відбувається конденсації водяної пари. Відносна ж вологість частинки, що адіабатично піднімається, зростає зі збільшенням висоти (це твердження доводиться в п. 17.1). Таким чином, при адіабатичному підйомі вологої ненасиченої частки настає такий момент, коли частка досягає стану насичення (f = 100%). Рівень, на якому вологе ненасичене повітря досягає стану насичення, називається рівнем конденсації і позначається zк; температура і тиск цьому рівні позначаються відповідно Тк і рк.
Якщо волога насичена частка підніметься вище за рівень конденсації, то внаслідок подальшого зниження температури почнеться конденсація водяної пари. При конденсації виділяється прихована теплота пароутворення (близько 2500 кДж при конденсації 1 кг водяної пари), в результаті чого температура частки вище рівня конденсації знижується повільніше: частина роботи розширення відбувається за рахунок теплоти конденсації (у той час як до досягнення стану насичення робота розширення здійснювалася тільки за рахунок зменшення внутрішньої енергії).
Крива стану насиченої частки при її адіабатичному підйомі називається вологою адіабатою, а зміна температури частки при підйомі на одиницю висоти при вологоадіабатичному процесі - вологоадіабатичний градієнтом γ'а.
З викладеного вище випливає, що при вологоадіабатичному процесі: а) температура частинки, що піднімається, зменшується з висотою, але повільніше, ніж при сухоадіабатичному процесі (γ'а 3 Дж/(кг ∙ К), то ∆Тр = 2,5s, Тр =Т + 2,5s, причому тут s - у проміле.Знаючи Тр, неважко розрахувати псевдопотенційну температуру за формулою
Такою самою консервативною характеристикою, як і Θp, є потенційна
температура змоченого термометра Θ′. Це температура, яку приймає волога частка, якщо її опустити вологоадіабатично з рівня конденсації zк до рівня р = 1000 гПа (точка L на рис. 4.4).
Енергія нестійкості.За даними температурного зондування атмосфери (за допомогою радіозонда, літака, ракети) на аерологічну діаграму наноситься крива стратифікації атмосфери над цим пунктом. До кожного підйому крім кривої стратифікації будується крива стану. Як правило, криві стратифікації та стани не збігаються. Внаслідок цього температура і щільність частинки, що адіабатично піднімається, на кожному рівні відрізнятимуться від температури і щільності атмосфери (Ti ≠ Te,ρi ≠ ρе).
На кожному рівні на частинку, щільність якої відрізняється від щільності навколишнього середовища, діє сила плавучості. Робота, яку здійснює ця сила при вертикальному зміщенні частинки одиничної маси на елементарну відстань dz згідно (4.5.1), дорівнює
Скориставшись рівнянням статики, перепишемо формулу (4.11.1) у такому вигляді: