Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Красавин П.А. 1 Колбасов А.Ф. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Атмосферный воздух нашей планеты представляет собой смесь газов. Основными характеристиками физического состояния газа являются его давление, температура и плотность. В связи с тем, что авторы исследуют изменение давления в шине, накаченной воздухом, рассматриваются вопросы влияния состава и состояния атмосферного воздуха на внутреннее давление в автомобильной шине. Содержание водяных паров в насыщенном ими воздухе при различных температурах меняется. Поэтому целесообразно рассмотреть изменения основных климатических характеристик в различных климатических поясах в течение суток и в течение длительного времени. Авторами были исследованы состав воздуха, среднегодовые значения давления воздуха в зависимости от высоты местности над уровнем моря, содержание водяных паров (г/м3) в насыщенном ими воздухе при различных температурах (°С).

Статья в формате PDF

358 KB

атмосферный воздух

состав сухого воздуха

среднее давление воздуха

влажность

1. Алисов Б.П., Полтараус, Б.В. Климатология. – М.: Изд-во МГУ. 1962. – 228 с.

2. Колбасов А.Ф. Некоторые актуальные вопросы работы автомобильной шины // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8.

3. Литвинов А.С. Фарабин, А.Я. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. – М.: Машиностроение, 1989. – 240 с.

4. Семенченко Б.А. Физическая метеорология: учебник. – М.: Аспект Пресс, 2002. – 415 с.

5. Мир Вокруг Нас: Энциклопедия [Электронный ресурс] // Метеорология и климатология. – URL: www.bigpi.biysk.ru/encicl/articles/04/1000405/1000405A.htm (дата обращения 18.01.2012).

В связи с тем, что автомобили эксплуатируются во всех климатических зонах земного шара в тяжелых условиях – снег, дождь, грязь, жара и т.д., целесообразно изучить влияние на эксплуатационные характеристики автомобильной шины климатических условий, важнейшими элементами среди которых являются температура, влажность и плотность воздуха, атмосферное давление, направление и скорость ветра, облачность, осадки, солнечная радиация, тепловое излучение земли и атмосферы, температура дорожного покрытия, испарения, явления погоды (грозы, туманы, метели и т.д.) [2]. Рассмотрим влияние состава и состояния атмосферного воздуха на давление в шинах.

Атмосферный воздух нашей планеты представляет собой смесь газов. Доля основных компонентов азота, кислорода и аргона в сухом воздухе составляет 99,96 % объемного содержания. Состав сухого воздуха на высотах до 100 км приведены в табл. 1.

Таблица 1

Состав сухого воздуха на высотах до 100 км

В составе атмосферного воздуха содержится и водяной пар. Объемное содержание его в атмосфере колеблется от 0,2 % в полярных районах до 2,5 % в приэкваториальных, а в некоторых географических районах достигает 4 % [1]. Вода из атмосферы выводится при выпадении осадков в жидком или твердом виде, а также вследствие конденсации на наземных предметах (роса, иней, изморозь и т.д.). Происходящие процессы испарения, транспирации и выведения водяного пара из атмосферы вызывают большую изменчивость его в атмосфере.

Основными характеристиками физического состояния газа являются его давление, температура и плотность. Газы сжимаемы. В зависимости от температуры и давления меняется их плотность.Для идеальных газов эта зависимость представляется в виде:

PV = RT, (1)

где P – парциальное давление газа; V – удельный вес газа (V = 1/ρ, где ρ – плотность газа); R – удельная газовая постоянная; T – температура по шкале Кельвина.

Идеальным является газ, в котором отсутствуют силы сцепления между молекулами. Молекулы представляются в идее материальных точек. Поэтому идеальный газ в смеси с другими газами имеет:

● собственное давление – Pi;

● плотность – ρi;

● удельный объем – V.

Для условия термодинамического равновесия смеси у всех газов общая температура Т. В соответствии с законом Дальтона общее давление смеси газов должно равняться сумме их парциальных давлений. Уравнение состояния для каждого газа сухого воздуха записывается в виде:

PiVi = RiT, где i = 1, 2, 3, …, n,

где Ri – удельная газовая постоянная для соответствующего газа, входящего в смесь.

Ri = R*/μi, (2)

где R* – универсальная газовая постоянная, R* = 8,31441∙103 Дж/кмоль∙К (универса́льная га́зовая постоя́нная – термин, впервые введённый в употребление Д. Менделеевым в 1874 г. Численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К); μi – относительная молекулярная масса i-го газа.

Давление смеси газов:

(3)

Удельный объем каждого газа – Vi, масса – mi.

Для сухого воздуха V:

Vi = V/mi. (4)

Из уравнений (1), (3) и (4) следует:

(5)

или

pv = RcT, (6)

где Rc – удельная газовая постоянная сухого воздуха.

Rc = 287 Дж/кгК. (7)

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Для водяного пара уравнение состояния записывается в следующем виде:

ev = RcT, (8)

где e – парциальное давление; V – удельный объем; Rn – удельная газовая постоянная водяного пара.

Rn = R*/μn = 461,5 Дж/кгК, (9)

где μn = 18,015 кг/кмоль – относительная молекулярная масса водяного пара.

По данным многочисленных исследований, в диапазоне температур от 0 до 40 °С удельная газовая постоянная водяного пара Rn практически совпадает с теоретической и не меняется [4].

Выведем уравнение состояния влажного воздуха.

Возьмем 1 кг влажного воздуха. В нем будет содержаться q кг водяного пара и (1 – q) кг сухого воздуха. Удельные объемы водяного пара, сухого и влажного воздуха составят соответственно: Vn, Vc, V.

Удельные объемы водяного пара и сухого воздуха будут равны:

V = V/q; Vc = V/1 – q. (10)

Уравнение состояния сухой части воздуха:

(p – e)Vc = RcT, (11)

где p – общее давление; (p – e) – парциальное давление воздуха; T – общая температура.

Из формул (7) и (9) следует, что

Rn/Rc = 1,608. (12)

Если заменить удельную газовую постоянную водяного пара удельной газовой постоянной сухого воздуха, то получим уравнение состояния влажного воздуха:

pV = RcT (1 + 0,608q). (13)

Плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого.

В результате проведения работ по отбору и анализу проб воздуха, взятых до высот 100 км, установлено, что он имеет постоянный состав, т.е. представляет собой гомосферу. Это вызвано интенсивным вертикальным перемешиванием атмосферы [5]. В настоящее время в условиях рельефа города Сочи автомобили эксплуатируются на высотах до 5 км над уровнем моря.

Для определения характеристики реальной атмосферы с содержанием водяного пара, учитывая изменения с барометрической высотой, используют либо барометрическую ступень (высота, на которую нужно подняться, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа) при небольших изменениях высот, либо следующее уравнение:

(14)

где Z2 – Z1 – высоты точек; R – удельная газовая постоянная водяного пара; g – ускорение силы тяжести; T0 = 273К; – среднее значение характеристик для данного слоя; коэффициенты: β = 0,378; α = 3,66∙10–3.

Содержащиеся в воздухе пары воды участвуют своим парциальным давлением в общем давлении атмосферы в данном месте. Давление паров воды воздуха в мм рт. столба может быть определено по уравнению:

(15)

где t – температура воздуха.

Рекомендованное заводом-изготовителем автомобилей давление в шинах (ри) представляет собой избыточное давление газа. Это разность между внутренним (собственным) давлением газа и атмосферным давлением [3].

ри = р – ра, (16)

где р – полное давление газа; ра – атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление составляет 760 мм рт. столба или 101,325 кПа. При неизменной температуре воздуха с высотой атмосферное давление уменьшается по экспоненциальному закону:

(17)

где p0 – атмосферное давление у поверхности Земли, Па; ph – атмосферное давление на высоте h; h – высота над поверхностью Земли, м; ρо – плотность воздуха у поверхности Земли, кг/м3; g – 9,81 м/с2; e – 2,71828.

Уравнение (17) называется барометрической формулой высоты.

При среднегодовом значении атмосферного давления на уровне моря 101,325 кПа и температуре 15 °С для высот до 11000 м (тропосфера) пользуются в основном международной формулой

(18)

где давление выражается в килопаскалях, а высота h – в километрах.

В метеорологии атмосферное давление измеряется в милибарах.

Рh = 101,325 кПа = 1013,25 мбар при среднегодовой температуре 15 °С.

Значения среднегодовых давлений воздуха в зависимости от высоты местности над уровнем моря приведены в табл. 2.

Таблица 2

Среднегодовые значения давления воздуха в зависимости от высоты местности над уровнем моря

Вода имеет большую скрытую теплоту парообразования. При температуре 100 °С она составляет 539 кал/г. В результате испарения воды от тел отводится значительное количество тепловой энергии.

На метеорологических станциях определяется абсолютная, относительная влажность воздуха, дефицит влажности, точка росы и другие показатели. Наиболее часто на практике используется значение относительной влажности R, которая представляет собой отношение упругости водяных паров е, содержащихся в атмосфере при определенной температуре, к упругости насыщающих ее водяных паров Е при той же температуре.

(19)

Выражается относительная влажность в процентах.

Содержание водяных паров, г/м3, в насыщенном ими воздухе при различных температурах в градусах Цельсия приведены нами в табл. 3.

Таким образом, целесообразно исследовать влияние рассмотренного изменения состава атмосферного воздуха на давление в автомобильных шинах.

Таблица 3

Содержание водяных паров, г/м3, в насыщенном ими воздухе при различных температурах, °С

Рецензенты:

Макаров К.Н., д.т.н, профессор, зав. кафедрой «Городское строительство» ФГБОУ «Сочинский государственный университет», г. Сочи;

Ткаченко В.П., д.т.н., профессор кафедры «Ландшафтное строительство» ФГБОУ «Сочинский государственный университет», г. Сочи.

Работа поступила в редакцию 23.01.2013.

Библиографическая ссылка