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帖子主题:大风降温方程 中国人原创重要物理方程

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大风降温方程 中国人原创重要物理方程

大风降温方程

赵雪飞

我以前在论文中指出,大风会使空气降温。因为空气遵守能量守恒定律,空气系统运动了,空气的动能增加了,空气系统的热能就会相应地下降,表现为大风降温的常见天气现象。

设有一个质量为m的空气系统,起初空气静止,此时空气的热量为Q1;该空气系统自己自动运动起来,空气速度为V,此时的空气热量为Q2,空气的定压比热容为CP 。根据能量守恒,建立等式: Q1 = Q2 + mV2/2

移项: Q1 - Q2 = mV2/2

即 ΔQ = mV2/2

空气热量的变化量为ΔQ ,空气前后的温度变化T1-T2=ΔT ,根据热量的表示式:

ΔQ =m·CP·ΔT

于是有关系式: m·CP·ΔT = mV2/2

整理后得: ΔT=V2/(2CP ) ①

方程① ΔT=V2/(2CP ) 称为大风降温公式。人们只需估测出当日的风速,再查表知道空气的等压比热容CP的数值,代入上述公式,就可以计算出空气的大风降温的具体数值了。

我查表,得空气在0℃时的定压比热容CP=1005 J/(Kg·℃) ,假如外面刮的是7级风,风速测为15m/s , 得 ΔT=152/(2×1005 )=0.112 ℃ 。

这就是说,外面刮7级风,大风降温效应会使空气降温0.112℃。假如外面刮的是8级风,风速测为20m/s ,得ΔT=202/(2 ×1005 )=0.2 ℃ 。这就是说,外面刮8级风,大风降温效应会使空气降温0.2℃。大风降温实验可以通过测试风洞加速空气的前后温差来验证。

人们在日常生活中感觉的大风降温效应要比理论计算数值大得多。造成人们这个印象主要是由两方面的原因造成的:一是冬季北方南下的冷空气流(寒流)的本身空气温度就比较低;二是空气的大风运动的轨迹是抛物线,中高空的低温的气流经抛物线轨迹运动至地面,也会造成地面大风的气温相对较低。总之,错觉是其它原因造成的,大风降温的理论计算是正确可靠的。

空气的温度越高,空气的定压比热容的数值增大得越明显,即空气的定压比热容与空气温度成正比。这说明了太阳辐射了一定热量使地面空气升温,空气升温速度较慢,空气温度不会升得太高;而相反,冬季里北面南下的寒流,携带了与上述相同的冷量使空气降温,

空气降温的速度较快,空气温度会在寒流作用下降得太低,降温幅度很大。人们由日常生活经验可知,夏天的三伏天是在经过较长时间的热量积累后,天气才会变得很热;而冬季的寒冷就不同了,只要一个势力较强的寒流南下,天气就会立刻变得很寒冷。这就是由于空气的定压比热容与空气温度成正比的缘故造成的。

沿用上述空气(流体)系统,该空气系统在山区(倾斜管道)中运动,垂直运动距离为h ,气流倾斜着向下运动;此时,空气的重力势能参与做功,故重力做功要纳入方程中。根据能量守恒得:

Q1 = Q2+mgh+ mV2/2

移项得 Q1 - Q2 =ΔQ =mgh+ mV2/2

空气(流体)系统得热量变化量 ΔQ =m·CP·ΔT

得到关系式: m·CP·ΔT = mgh+ mV2/2

整理得: ΔT=V2/(2CP ) + gh / CP ②

方程②是气流倾斜着向下运动的大风降温方程。

如果气流是倾斜着沿着山体(或管道)向上运动,那么同理可得到方程为:

ΔT=V2/(2 CP ) - gh / CP ③

方程③是气流倾斜着向上运动的大风降温方程。

山区的地形大多是斜坡,空气气流是倾斜着运动的。气流倾斜向上运动或倾斜向下运动的方程是不同的,垂直距离h有正负之分。当h=0时,说明空气气流是作水平运动,方程又回归到水平的方程了。

例3:流体运动有时会有初速度。设有质量为m的流体系统,处于状态1时,流体初速度为V1,流体热能为Q1;流体水平运动至状态2时,流体速度为V2,流体热能为Q2。根据状态1和状态2流体能量守恒,得到等式:

Q1 + mV12/2= Q2+ mV22/2

移项得: Q1 - Q2 =ΔQ = mV22/2- mV12/2

流体的热量表示式为: ΔQ =m·CP·ΔT

得到等式: m·CP·ΔT = mV22/2- mV12/2

整理得: ΔT = (V22 - V12)/(2 CP) ④

公式④说明:当流体加速运动时,V22 - V12>0,ΔT>0,流体运动的热效应是降温效应;而当流体减速运动时,V22 - V12<0,ΔT<0,说明流体运动的热效应是增温效应;当V1=0时,即流体无初速时,方程④又回到了方程①了。

流体运动不仅存在降温效应,也存在增温效应。例如,连续流体在密闭管道中运动,流体从粗管道进入细管道时,流速会增大,产生流体降温效应;反之,流体从细管道流入粗管道的过程中,流速会减小,产生流体增温效应。

流体或飞行器的倾斜运动也很常见,故在山区倾斜地形中引入上述例3的有初速度V1的流体系统。设气流沿着斜坡向上运动,由能量守恒得:

Q1 + mV12/2 =Q2+ mV22/2 - mgh

移项得: Q1 - Q2 =ΔQ = mV22/2- mV12/2 – mgh

气流系统热量变化量为: ΔQ =m·CP·ΔT

得到等式: m·CP·ΔT = mV22/2 - mV12/2– mgh

整理得: ΔT =(V22 - V12)/(2 CP)- gh / CP ⑤

当气流沿着斜坡倾斜向下运动,由能量守恒得:

Q1 + mV12/2 = Q2+ mV22/2+ mgh

同理整理可得: ΔT =(V22- V12)/(2 CP)+ gh / CP ⑥

方程⑤和⑥是流体或飞行器带有初速度的倾斜运动方程。由于方程中含有两项,不好由速度的增减来直观判断流体运动的热效应。流体总的热效应由两项的代数和来决定。当ΔT>0时,流体的倾斜运动的热效应是降温效应;当ΔT<0时,流体的倾斜运动的热效应是增温效应。

飞机在天空高速飞行,根据运动的相对性,可以看成是飞机不动、空气气流高速向飞机迎面运动。因此,飞机在天空飞行,可看成是空气的流体运动,故大风降温方程也适用于飞机。例如,飞机正好以音速飞行,速度340米/秒,代入方程,降温幅度达到57摄氏度,可以引起飞机的机体表面结冰;由于高空的空气稀薄,其定压比热容要比地面空气的定压比热容要小,故飞机在高空中的实际降温幅度更大;由于飞机的高速运动,空气与飞机表面产生剧烈的撞击和摩擦,产生较多的摩擦热,这会抵消飞机飞行的大风降温效应。飞机以两倍音速飞行,飞机的大风降温幅度为230摄氏度,此时空气的摩擦生热已经大于大风降温效应。考虑到高速飞行时,空气被压缩,故高空的空气定压比热容仍然可用地面空气的数值。大风降温方程适用于所有运动的流体,故大风降温方程也适用于流动的水流的降温效应,也适用于河海中航行的船只周围的流体降温效应。适用于所有流体的大风降温方程,应该改称为流体降温方程更合适。对于高速运动因空气摩擦而净发热的,实际发热温度是可以计算的,摩擦放热温度等于实测放热温度加上大风降温幅度。大风降温幅度可以通过公式计算出来。摩擦放热公式为:

摩擦放热温度=实测放热温度+大风降温幅度

飞行器的发热量也可以计算,公式为:

飞行器发热量=实测放热温度*物体质量*比热容

上式中物体质量仅仅指飞行器发热部分的外壳质量。上式中飞行器的发热量未考虑飞行过程中向外散失的热量。人类走向天空,大风降温方程很重要。幸亏有大风降温效应,帮助人类对飞行器降温,成就了人类的太空文明;否则,飞行器很难抵御空气摩擦的高温,人类就很难走出地球。上天的天理安排是如此的巧妙而和谐,体现了天理的公正。

电风扇的大风使人感动凉爽,除了有蒸发吸热,空气吸热的原因,还有一个原因就是大风降温效应。空气气流在倾斜方向上运动的大风降温方程,请见照片。飞行器倾斜着上升或下降就适用大风降温倾斜方程。学校中有一种测试大风降温方程的简易方法:只需一台中型的空气压缩机,将空压机内的空气压力压缩至6到8公斤,关闭出气口,然后关闭电源,将空气冷却三小时左右,使空压机内空气温度等于室温,测定室温;将空压机内的空气以3到4公斤压力用细管子输出,将输出的快速气流对着温度计吹,测出气流温度;或将气流对着薄钢板条(条)吹,用红外测温枪测出钢板(条)上的气流温度,或用红外测温枪直接测出输气管管口内壁的温度既可,最后测试出气流的速度。气流的速度很大,大风降温幅度较明显,降温幅度大概有几个摄氏度。空压机内的压缩空气几乎是等于室温的,故空压机可以不需要冷却,可以连续地做实验。当然,气体的pv/T是常数,这也可能对空压机输出的气流温度有影响,但是影响应该不大,故空压机实验还是可以近似地做。中型空压机只有几千元,相对便宜。气体的pv/T是常数的性质仅仅适用于静止的空气,如果空气是运动的气流,“气体的pv/T是常数”大概不适用了。空气气流运动起来后,不仅空气的压强会下降,而且空气的温度也会因为热效应而变化。

人们还可以用消防的高压水枪来验证水流也适用大风降温方程。先将消防车中注入大量水,静置五个小时,使车箱中水的温度分布均匀,接近于环境温度;测定水的温度,用高压水枪将水流高速喷出,用红外测温枪测出喷射水流的温度,再测出喷射水流的速度。水流喷射的降温效应没有干扰项,实验比较科学,数据比较可靠。船只的速度大大小于高压水枪的喷射水流速度,故用高压水枪来做实验最科学;用船舶测试因温度变化太小,而测量误差程度却较大。高压水枪的水平的喷射速度可以用抛物线运动轨迹的方法测出来。把枪口固定在离地面一定高度处,测出该高度;使枪口以水平姿势向前喷射水流,在水流落地处做记号,测量出喷射水流的水平运动距离,用该距离除以水流做自由落体运动的时间所得数值,就是喷射水流的水平喷射速度。流体降温效应使水流降温,相对低温的水能够从火场吸收更多热量,这对消防灭火很有利。例如,高压水枪的水平喷射速度为100m/s,水的比热容为4200焦耳/(千克?开),代入公式,计算出降温幅度为1.2摄氏度。因此说,消防队对火场分别用高压水枪和低压水枪喷射了同等重量的水,用高压水枪喷射水流的灭火效果要比低压水枪的灭火效果要好,原因就是高压水枪对水流产生降温效应,这个降温的能量是由消防车做功来提供的。这就是说,装备高压水枪的消防车不仅直接为火场救火现场提供水,而且也间接地做功用流体降温效应来为火场降温。因此,消防水枪的将来发展趋势就是进一步增大水枪的压力,增大水流的喷射速度,或增大喷雾速度,以尽量增大流体降温效应的幅度,帮助更好地灭火,消防车做功喷射水流的能量没有浪费。

用水灭火就是主要用物理吸热来灭火。同样道理,高压喷雾也具有流体降温效应,也可以用于消防灭火。消防高压喷雾是建筑物自备的消防设备,只需在普通消防喷雾设备上的水源管道上增加一个高压水泵来增大水流压力就行了。只要建筑物的消防监控中心监测到房屋火警,高压水泵就开始工作对管道中的水加压,并开启消防高压喷雾喷头进行灭火。重要新建建筑物今后要法定安装高压喷雾消防装置。以前,人们把喷雾产生的降温作用归结为蒸发吸热,这是严重夸大的,也是不正确的;例如大海上遍布海水,蒸发吸热是缓慢的,人们感觉不到海面突然的温度变化;喷雾降温的主要原因是流体降温效应,该效应的降温是立竿见影的。高压喷雾消防设备单位时间出水量大,水温较低,可自动快速灭火。高压喷雾消防设备是我的专利产品,可以和一些厂家合作生产。

连续的流体在密闭管道系统中运动,当流体从较粗的管道流入较细的管道时,流量保持不变,流体的速度会增大,适用流体降温方程;故连续流体从粗管流入细管时,因流速增大会产生流体降温效应,流体的温度会降低。当流体从较细的管道流入较粗的管道时,流量保持不变,流体的速度会减小;故连续流体从粗管流入细管时,因流速变小而产生增温效应,使流体温度变高。因此说,对于由粗细不同的管道组成的连续流体系统来说,流体的运动既可能产生降温效应,也可能会产生增温效应,管道中的流体温度的分布是不均匀的。流体增温效应请见我的照片中的方程及内容。例如,地球上地面的大风停止之后,气温常常就会回升,这个现象用流体增温效应就可以准确地解释。流体降温方程中的变化量(如热量变化量、温度变化量)都是用初始的状态1减去状态2,不能混淆。流体加速运动具有降温效应,流体减速运动具有增温效应。人们骑摩托车或开敞篷汽车就明显感觉到,车速越快,气流温度越低,人感觉越冷;反之亦然。在时速100公里/小时的汽车上,稍微打开车窗,将测温探头伸出车窗外,理论上的温度降幅为0.4摄氏度。总之,随着研究内容的不断扩大和深化,将该系列方程称为流体降温方程仍然不合理,应该改称为流体运动热效应方程,简称为流体动热方程。流体运动热效应方程之所以没有被人类认识,重要原因就是因为方程是跨界的方程,人们通常将机械能运动和热力学看成两个学科,我建立的该系列的流体动热方程把这两个学科联系起来了。汽车、火车、船舶、飞机等交通工具都是由热机驱动,兼具运动学和热学的特点。当物体的运动速度很快时,物体的温度下降幅度太大,物体就会自动从环境中吸收热量,使物体的温度不至于降得太低;同样,当飞行器的温度因为空气摩擦升得太高时,飞行器会自动向环境中散发热量,以使飞行器的温度不至于升得太高;这些问题会导致方程的理论计算结果和物体的实际温度存在一点偏差。

飞机在高速飞行时,飞机周围常常会出现云雾,这个现象可以用大风降温方程来解释。飞机高速运动时,空气相对于飞机高速运动,使空气的温度下降,空气中的水蒸气就会液化成小水滴,乃至凝固成小冰晶,在飞机周围形成小范围的云雾。飞机高速运动时的尾迹和激波,都可以用大风降温方程来解释。

说明: 文中mV2中的2表示平方, 文中 mV12的前一个1表示序号,后一个2表示平方, 文中mV22的前一个2表示序号,后一个2表示平方.

赵雪飞

2017.4.15

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      0
      2019/4/19 13:02:59

      网友回复

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      是民科吧?

      2019/6/13 17:48:10
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      大风降温方程是热力学和运动学这两个学科的交叉,是一个新的学科。

      2019/6/9 15:08:52
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      不要把什么东西都硬扯到中国人头上,自己的东西自己顶。

      2019/5/27 11:38:32
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      大风降温方程对飞机在高空飞行时的气流降温,对火箭的气流降温,以及对消防的水流降温都具有理论指导作用。大风降温方程对国防军工领域非常重要的理论指导作用。

      2019/5/22 17:23:24
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      2楼 赵雪飞
      飞机飞行时,有时飞机机体外面发生结冰现象,就是大风降温方程的体现。
      4楼 记忆不好
      高空本来就是低温
      高空的空气是低温,但是飞机的运动使飞机附近的空气降温,这是新的科学发现。这两种说法不矛盾,是并存的关系。

      2019/5/8 17:12:21
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      2楼 赵雪飞
      飞机飞行时,有时飞机机体外面发生结冰现象,就是大风降温方程的体现。
      高空本来就是低温

      2019/5/8 11:58:59
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      风的本质是水粒子在空气中的流动!

      2019/4/22 17:33:32
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      飞机飞行时,有时飞机机体外面发生结冰现象,就是大风降温方程的体现。

      2019/4/19 16:17:31

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