3.2.2 Равновесие газа. Международная стандартная атмосфера

Атмосферой называется газообразная оболочка, окружающая земной шар и вращающаяся вместе с ним. Условно высота атмосферы принимается порядка 2500 км; на этой высоте плотность среды близка к плотности космического пространства.

С увеличением высоты падают давление и плотность воздуха. Параметры атмосферного воздуха зависят от координаты места и изменяются с течением времени в определенных пределах. Значительное воздействие на состояние атмосферы оказывает солнечное излучение.

Атмосфера состоит из нескольких слоев: тропосферы, стратосферы, химосферы, ионосферы, мезосферы и экзосферы, каждый из которых характеризуется различной зависимостью температуры от высоты. Все слои отделяются друг от друга зонами толщиной 1-2 км, называемыми паузами: тропопаузой, стратопаузой и т.д.

Отсутствие определенности в состоянии атмосферы у Земли и в изменении ее состояния с увеличением высоты создает серьезные затруднения для технических расчетов. Необходимость унификации расчетов привела к созданию условных характеристик атмосферы. Такие характеристики были введены в форме условной стандартной атмосферы (СА). СА является единым законом изменения давления, температуры и плотности воздуха по высоте, отсчитываемой от среднего уровня моря (h = 0 м).

При расчете стандартной атмосферы принимается условие статического равновесия воздуха, которое описывается уравнением статики атмосферы, связывающим давление воздуха p, плотность , ускорение свободного падения g и геометрическую высоту h.

Для тропосферы температура и плотность связаны с геометрической высотой следующими зависимостями

; ,

где   0,0065 ⁰С/м – градиент температуры по высоте;

Т₀, ₀ – соответственно термодинамическая температура Кельвина и плотность воздуха на высоте h  0 м;

R – газовая постоянная для воздуха (R  287,14 Дж/(кгК)).

Формула для расчета давления (барометрическая формула) и плотности атмосферы с линейным распределением температур согласно основному уравнению гидростатики

;

Для участков атмосферы с Т  const (стратосфера) расчетные формулы будут

При задании высоты h однозначно задаются параметры воздуха Т, р, .

Таблица 3.1 - Единицы измерения давления

Единицы давления	Па	бар	кгс/м^2 (кГ/м^2)	кгс/см^2 (кГ/см^2)	мм рт.ст.	м вод.ст.	Атмосфера технич., ат	Атмосфера физич., атм
Па	1	0,00001	0,102	1,0210^-5	0,0075	1,0210^-4	1,0210^-5	0,98710^-5
бар	100000	1	10200	1,02	750	10,2	1,02	0,987
кгс/м^2	9,81	0,0000981	1	0,0001	0,0735	0,001	0,0001	0,96810^-4
кгс/см^2	98100	0,981	100000	1	735,6	10	1	0,968
мм рт.ст.	133,32	0,00133	13,6	0,00136	1	0,0136	0,00136	0,001316
м вод.ст.	9810	0,0981	1000	0,100	73,556	1	0,1	0,0968
Атмосфера технич., ат	98100	0,981	10000	1	735,6	10	1	0,968
Атмосфера физич.,атм	101325	1,01325	10332	1,0332	760	10,332	1,0332	1
Примечание: 1 кгс/см^2 = 1 ат (техническая атмосфера) = 10^4 кгс/м^2 = 0,967841 атм = 98066,5 Па (точно); 1 кгс/м^2 = 1 мм вод. ст. =9,80665 Па (точно). Для получения давления в других единицах нужно заданное давление умножить на соответствующие переводные коэффициенты, приведенные в таблице. 1 н = 0,102 кГ; 1 кГ = 9,8 н.