Disseram-me que isso é verdade, mas não consigo imaginar o porquê. Parece que o fato de haver menos ar tornaria os motores menos eficientes ... Mas isso provavelmente mostra o pouco que sei sobre motores a jato.
Disseram-me que isso é verdade, mas não consigo imaginar o porquê. Parece que o fato de haver menos ar tornaria os motores menos eficientes ... Mas isso provavelmente mostra o pouco que sei sobre motores a jato.
Para uma explicação rápida, você precisa saber que
A eficiência térmica é a razão entre o trabalho mecânico extraído como empuxo e a energia térmica gasta no aquecimento do ar e é afetada indiretamente pela altitude do voo. Por favor, consulte o artigo da Wikipedia no Ciclo de Carnot. Este e outros ciclos semelhantes descrevem o funcionamento de todos os motores de combustão em termos termodinâmicos. Basicamente, ele afirma que a eficiência de um motor de combustão não pode ser maior que a razão de temperatura entre o aumento da temperatura e o ambiente ($ t_ {amb} $) à temperatura máxima $ t_ {max} $ do processo, dividido pela temperatura máxima. Todas as temperaturas devem ser expressas como temperaturas totais, onde 0 ° significa 0 K ou -273.15 ° C. Operar em ar mais frio aumenta a proporção e melhora a eficiência. $$ \ eta_t = \ frac {t_ {max} - t_ {amb}} {t_ {max}} $$
If $ t_ {amb} $ é 290 K (16.85 ° C ou 62 ° F) e o combustível aquece o ar até 1400 K (2060 ° F), a eficiência térmica de acordo com a fórmula acima é 79.3%.
Em altitude de cruzeiro $ t_ {amb} $ é apenas 220 K (-53.15 ° C ou -63.7 ° F), e o mesmo fluxo de combustível em relação ao fluxo de ar eleva a temperatura máxima apenas para 1320 K (na realidade, ainda menos; para um raciocínio mais preciso, veja abaixo). Agora a eficiência térmica é 83.33%! Se a temperatura máxima for mantida, a eficiência de empuxo e térmica aumentará; o último para 84.3%.
Na realidade, a eficiência total será menor porque não incluímos eficiência propulsiva, efeitos de atrito ou tomada de força pelo ar de sangria, bombas e geradores. A eficiência propulsiva descreve quão bem a aceleração do ar é realizado.
A queima de uma mistura combustível-ar adicionará energia térmica a ela, aproximadamente 43 MJ para cada quilograma de querosene (se assumirmos a combustão completa). O isobárico capacidade de calor or calor específico do ar (perto o suficiente, a mistura tem muito pouco combustível, mas há muito ar) é 29 J por mol e por K; portanto, o 43 MJ aquece o 1000 mol de ar por 1483 K. A capacidade de calor muda levemente com a umidade e a temperatura, mas pouco o suficiente para que possamos considerá-lo constante para esse fim. Se o ar começar no 220 K, a pré-compressão na entrada aquecerá para aprox. 232 K, uma compressão adicional no motor aquecerá até aprox. 600 K se assumirmos uma taxa de compressão de 25, e esta é a temperatura na entrada da câmara de combustão.
Aqueles 1000 mol de ar pesa cerca de 29 kg, e adicionar um quilo cheio de combustível e queimar a mistura a aquecerá para 2083 K. Se você quiser obter mais detalhes sobre os parâmetros em um motor a jato típico, consulte o diagrama em esta resposta. Como a mistura aumenta a velocidade à medida que queima, a massa de combustível também é aquecida e a combustão nunca é completa, a temperatura máxima fornecida aqui não será atingida na realidade.
Se começarmos no solo com uma temperatura do ar de 290 K, a temperatura na entrada cairá um pouco porque não estaremos voando rápido o suficiente para que ocorra qualquer pré-compressão na entrada. Agora, o compressor aquecerá o ar para o 730 K e, novamente, adicionar e queimar esse quilo de querosene aquecerá o 1000 mol de ar para o 2213 K. Idealmente.
Na realidade, o controle do motor verá que as temperaturas limites não são excedidas, mas aqui podemos brincar com os números que quisermos. Os valores exatos certamente serão ligeiramente diferentes (aquecimento por atrito no compressor, perda de calor para o exterior, ligeira variação de calor específico com a temperatura), mas a essência da explicação está correta.
A queima da mistura combustível-ar a aquece e faz o gás se expandir. Isso acontece a uma pressão quase constante e em um volume restrito; portanto, a única maneira de abrir espaço para essa expansão é que o gás flua mais rapidamente. Pressão quase constante significa que a densidade do gás deve diminuir. A razão de densidade entre o gás aquecido e o não queimado é proporcional à sua relação de temperatura, medido em temperatura absoluta.
No entanto, a quantidade de combustível queimado determina a absoluto aumento de temperatura, o diferença em graus entre o gás queimado dentro da câmara de combustão e o gás não queimado na entrada. Para uma determinada quantidade de combustível, o relação de temperatura o que pode ser alcançado com um aumento absoluto da temperatura se torna menor quanto maior a temperatura do gás não queimado. Assim, a eficiência diminui com uma temperatura mais alta do ar de admissão.
O que importa para um motor a jato são os diferenciais de pressão e temperatura entre os gases de escape e a atmosfera ambiente. É a expansão e a alta energia cinética dos gases de escape quando saem do motor que fornecem o impulso (e o ruído) de um jato (observe que isso não leva em conta a parte de desvio de um turbofan).
A pressão ambiente é a pressão atmosférica, que por exemplo na superfície é aproximadamente 1000 hPa e no cruzeiro pode ser 200 hPa ou aproximadamente um quinto da pressão na superfície. A temperatura nessa altitude também costuma estar em torno de -50 C.
A pressão e a temperatura dos gases de escape são controladas por algumas coisas:
Como a pressão externa está caindo à medida que subimos, para manter o mesmo diferencial de pressão no motor, precisamos de menos temperatura e pressão no motor, e uma maneira de fazer isso é reduzir o fluxo de ar no motor e o combustível adicionado a esse ar. A atmosfera cuida da redução do fluxo de ar (há pouco menos dele no cruzeiro, embora isso também dependa da velocidade do ar) e o FADEC cuida de ajustar o fluxo de combustível. O resultado líquido é menos combustível necessário para produzir o mesmo diferencial de pressão quando o ar externo tem uma pressão mais baixa, por exemplo, vôo de cruzeiro.
EDIT:
Algumas das outras respostas / comentários fazem referência ao fluxo de massa através do jato, e particularmente ao fluxo de massa através do bico de escape. Eu concordo com isso, mas não o mencionei diretamente, porque esse fluxo de massa é configurado pelo gradiente de pressão no motor. Devo também esclarecer que a pressão no bico será igual ou muito próxima à pressão atmosférica ambiente e é o gradiente de pressão entre a pressão ambiente e a seção quente que estabelece a vazão mássica do motor.
Por fim, para abordar o comentário da taxa de desvio, consulte o comentário de Lnafziger. Os motores turbofan no EMB-145 são semelhantes, pois o desvio fornece mais impulso ao nível do mar do que o cruzeiro. Talvez isso esteja relacionado ao aumento da eficiência de combustível em cruzeiro, pois o ventilador N1 está fazendo menos trabalho e, portanto, a turbina N1 está extraindo menos energia do motor.
Eles funcionam melhor em grandes altitudes em primeiro lugar porque o ar é mais frio. O ar frio se expande mais quando aquecido que o ar quente. É a expansão do ar que aciona os motores de combustão.
A segunda razão é a baixa densidade do ar. A baixa densidade causa um arrasto baixo e, portanto, a aeronave voa muito mais rápido em alta altitude do que em baixa altitude quando recebe o mesmo impulso. Nesta alta velocidade, o fluxo de massa através do motor é comparável ao fluxo de massa em baixa velocidade no ar de alta densidade (baixa altitude). A quantidade de energia necessária para aquecer o ar até a temperatura de exaustão é comparável entre grandes e baixas altitudes. Porém, como a aeronave em alta altitude voa muito mais rápido, a quantidade de energia gerada é maior em $ (Potência = Impulso \ vezes {Velocidade}) $ em altitude.
A diferença com as aeronaves da hélice é que, em altas velocidades, a hélice perde eficiência e, portanto, a potência disponível diminui com a altitude.
Para uma abordagem não matemática:
Vamos pensar como um motor a jato funciona e comparar baixa altitude com voos de alta altitude. O motor retira o ar da entrada situada na frente. Enquanto você está subindo, o ar se torna menos denso (há menos massa de ar em um volume), então você precisa ir um pouco mais rápido, apenas para que a massa de ar que entra pela entrada seja a mesma em um determinado segundo. Você realmente obterá o mesmo fluxo de massa de ar em grandes altitudes e em baixas altitudes, mas na verdade você está viajando mais rápido.
Em seguida, você comprime esse ar, lembrando que, agora que você está subindo mais rápido, o efeito de carneiro o ajudará e comprimirá um pouco desse ar, apenas 'pressionando' seus motores nele em alta velocidade. Ao comprimi-lo, você o passa para a câmara de combustão onde queima. Esse estágio de combustão é o mesmo para as altitudes alta e baixa, embora o fato de que em altitudes mais altas o ar seja mais frio realmente ajude um pouco, pois podemos queimar mais combustível sem atingir temperaturas perigosas, então isso é bom.
Depois de queimado, o ar é passado através de uma turbina e depois expelido pelas costas. Agora, aqui fica um pouco complicado: veja, é mais eficiente acelerar um pouco de ar (massa) um pouco (dv pequeno) do que acelerar um pouco de ar (massa pequena) a uma velocidade muito rápida ( dv). Isso significa que, quanto mais rápido o avião se move, melhor a eficiência propulsora do jato. Assim, à medida que você sobe, você vai mais rápido e o fluxo obtém melhor eficiência, além da menor pressão de ar atrás de você significa que há menos força pressionando seu fluxo de saída.
Então, o que temos em vôo baixo vs alto:
Mesma quantidade de entrada de ar, mesma quantidade de combustão, mesma quantidade de combustível usada, melhor propulsão a jato em grandes altitudes e melhor velocidade em grandes altitudes. Você ganha mais dinheiro pelos seus dólares em altitudes mais altas.
Para uma abordagem matemática:
Isso ocorre porque o ar é mais frio e menos denso, o que significa que há menos mistura de combustível para ar em grandes altitudes, proporcionando uma melhor eficiência de combustível
Quanto maior a altitude, mais fina a atmosfera significa menos resistência ao ar ou arraste o avião, portanto, ele precisa de menos impulso do motor para empurrá-lo. É uma sorte, porque o motor perde impulso com a altitude quase na mesma taxa porque, como menos ar está disponível para o motor, o sistema de combustível deve reduzir o combustível para manter a proporção ar / combustível correta para suportar a combustão e manter o motor aceso. É uma situação ganha-ganha.
O motor de um avião de passageiros é projetado para ser o mais eficiente possível em uma viagem que contenha uma decolagem, uma subida e a maior parte do tempo entre os pés 35000 e 40000, onde a pressão do ar é de cerca de 1 / 4 a 1 / 5 do nível do solo . O motor possui alguns estágios extras de compressão para funcionar eficientemente em cruzeiro normal às custas do superaquecimento, se voado por muito tempo em potência máxima perto do nível do solo, devido a muita compressão na entrada. Procure injeção de água para obter uma maneira interessante de obter impulso de decolagem em um motor de altitude média no 707.
Eu acho que a maioria está simplesmente pensando demais. A resposta mais fácil e provavelmente a mais completa é resistência (ou atrito). O ar em alta altitude é menos denso, facilitando a passagem. O conteúdo de oxigênio em grandes altitudes é exatamente o mesmo que o nível do mar. Enquanto o ar lá em cima é o mesmo que respiramos, há menos desse ar no mesmo recipiente de volume. Os veículos espaciais não usam motores a jato. Para girar ou fazer qualquer movimento, eles têm "jatos" em vários locais ao redor do ônibus espacial. Os "jatos", neste caso, não são motores a jato, são simplesmente pequenos bicos pelos quais os gases pressurizados são liberados. Lembre-se de que, com ar zero, não há resistência ao movimento, lembre-se das leis do movimento de Newton: toda ação tem uma reação igual e oposta.
Como você sabe que a altitude aumenta a pressão e a temperatura, ambas estão reduzindo a estratosfera depois que a temperatura permanece constante. A queda de pressão continua e a densidade do ar diminui, criando menos arrasto nas viagens da aeronave em alta velocidade. O motor e a aeronave precisavam de menos energia para mover-se mais rapidamente a 36,000 ft a 40,000 ft acima de mais potência necessária para rodar mais rápido, para que a ponta da lâmina não fique parada.
Eu nem estou perto de um especialista. Mas aqui vai.
O ar como a água é espesso. Os submarinos são mais lentos que os barcos. Os jatos são mais rápidos que os barcos. Os automóveis são mais rápidos que os barcos.
O espaço não tem atrito porque não há matéria. Mas acho que os jatos ainda funcionam no espaço. Claro que eles precisam de oxigênio. Assim como o Super-Homem não precisa de atrito com o solo para correr rápido, enquanto outros super-heróis precisam. É por isso que acho irreal como um super-herói que precisa de atrito com o solo é capaz de correr tão rápido e fazer curvas fechadas sem causar sérios danos ao piso.
Então, acho que o ar é menos denso e mais alto, e mais fácil é viajar. Os jatos não dependem do atrito, como as hélices. Superman não precisa de atrito como Flash Gordon ou Wonder Woman. Portanto, no espaço, a Mulher Maravilha ficaria desamparada porque suas hélices não funcionam enquanto os jatos do Super-Homem funcionam bem.
Claro que o jato precisa de oxigênio. Então, eu não tenho certeza de como tudo isso funciona.
E algo em que não pensei foi o que foi mencionado em outro post. O som precisa de ar. Então sim. O som pode aumentar o atrito.
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