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
№ п/п |
Газ |
Содержание газа по объему, % |
Содержание газа по весу, % |
1 |
Азот (N2) |
78,09 |
75,5 |
2 |
Кислород (О2) |
20,95 |
23,10 |
3 |
Аргон (Аr) |
0,9325 |
1,286 |
4 |
Углекислый газ (СО2) |
0,030 |
0,046 |
5 |
Неон (Ne) |
0,0018 |
0,0012 |
6 |
Гелий (Не) |
0,0005 |
0,00007 |
7 |
Криптон (Кr) |
0,000108 |
0,0003 |
8 |
Водород (Н2) |
0,00005 |
|
9 |
Ксенон (Хе) |
0,000008 |
0,0004 |
10 |
Радон (Rn) |
6,10–18 |
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
Высота над уровнем моря h, м |
Давление р |
|
кПа |
мм рт. ст. |
|
0 |
101,3 |
760 |
100 |
100,1 |
751 |
200 |
99,0 |
742 |
300 |
97,8 |
733 |
400 |
96,6 |
725 |
500 |
95,5 |
716 |
700 |
93,2 |
699 |
1000 |
89,9 |
674 |
1600 |
83,5 |
627 |
2000 |
79,5 |
596 |
2450 |
75,6 |
567 |
2800 |
71,9 |
539 |
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
°С |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
–10 |
2,15 |
1,98 |
1,81 |
1,66 |
1,52 |
1,40 |
1,28 |
1,18 |
1,08 |
0,98 |
–0 |
4,84 |
4,47 |
4,13 |
3,81 |
3,52 |
3,24 |
2,99 |
2,75 |
2,54 |
2,34 |
+0 |
4,84 |
5,18 |
5,54 |
5,92 |
6,33 |
6,76 |
7,22 |
7,70 |
8,22 |
8,70 |
10 |
9,38 |
9,94 |
10,57 |
11,25 |
11,96 |
12,71 |
13,51 |
14,34 |
15,22 |
16,14 |
20 |
17,12 |
18,14 |
19,22 |
30,36 |
21,55 |
22,85 |
24,11 |
25,49 |
26,93 |
28,45 |
30 |
30,04 |
31,70 |
33,45 |
35,28 |
37,19 |
39,19 |
41,28 |
43,47 |
45,75 |
48,14 |
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
Красавин П.А., Колбасов А.Ф. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА НА ДАВЛЕНИЕ В ШИНАХ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-1. – С. 49-52;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31096 (дата обращения: 17.08.2024).