3.3 THERMODYNAMICA

Thermodynamica is warmteleer, een onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de invloed van temperatuur, druk en volume op vloeistoffen en gassen.

De thermodynamica gaat o.a. uit van de wet van het behoud van energie (energie gaat nooit verloren) en van het feit dat het onmogelijk is warmte om te zetten in arbeid zonder gebruik te maken van een temperatuurverschil. Voor een gas geldt: Druk x volume gedeeld door de temperatuur is contstant (PxV / T=constant).

Wanneer warme lucht opstijgt dan komt het in een omgeving met een lagere druk. De stijgende lucht zet tijdens het stijgen uit. Het volume wordt groter. De energie om deze arbeid te verrichten wordt onttrokken aan de temperatuur. 

Dit hoofdstuk is onderverdeeld in:  

3.3.1 VOCHTIGHEID

3.3.2 VERANDERING VAN DE AGGREGATIETOESTAND

3.3.3 ADIABATISCHE PROCESSEN 

 

3.3.1 VOCHTIGHEID

  • Waterdamp in de atmosfeer
  • Temperatuur, dauwpunt en relatieve vochtigheid

Waterdamp in de atmosfeer
Lucht is een mengsel van gassen. Eén daarvan is waterdamp. De hoeveelheid waterdamp in de lucht is wisselend. Zelfs in een huiskamer is die niet constant. Een hygrometer geeft de hoeveelheid waterdamp in procenten aan die lucht bij die temperatuur maximaal zou kunnen bevatten.

Temperatuur, dauwpunt en relatieve vochtigheid
Door temperatuurverschillen ontstaan drukverschillen en de lucht begint te stromen. Lucht die horizontaal stroomt noemen we wind en warme lucht die verticaal omhoog gaat thermiek.

Bij thermiek stijgt warme lucht en deze koelt onder het stijgen af. Lucht bevat waterdamp. Hoe warmer de lucht des te meer waterdamp de lucht kan bevatten. De hoeveelheid waterdamp die de lucht bij een bepaalde temperatuur bevat en zou kunnen bevatten noemen we de relatieve vochtigheid. De relatieve vochtigheid is de verhouding van de hoeveelheid waterdamp die de lucht bevat tot zou kunnen bevatten bij die temperatuur. Dit wordt in procenten weergegeven. Lucht die afkoelt kan minder waterdamp bevatten; de relatieve vochtigheid neemt toe. Wanneer de lucht nog verder afkoelt dan raakt de lucht uiteindelijk verzadigd. De relatieve vochtigheid is 100%. Koelt de lucht nog verder af dan condenseert de waterdamp, er ontstaat een wolk of mist. De temperatuur waarbij dat gebeurt heet dauwpunt en de hoogte waarop dit gebeurt het condensatieniveau. Gebeurt dit bij hele lage temperaturen dan kan de waterdamp ook sublimeren (zie 3.3.2), d.w.z. in ijskristallen overgaan. 

3.3.2 VERANDERING VAN DE AGGREGATIETOESTAND

  • Condensatie, verdamping, sublimatie, depositie, bevriezen en smelten.

Met aggregatietoestand bedoelen we de vorm waarin een stof zich bevindt, vast, vloeibaar of gasvormig. De overgang van de ene naar de andere aggregatietoestand is een natuurkundig proces onder invloed van temperatuur en druk. Het is geen scheikundig proces, want er ontstaat niet een andere stof. 

  • De overgang van een vaste stof naar vloeistof heet smelten,
  • die van een vloeistof naar gas verdampen,
  • van een gas naar vloeistof condenseren,
  • van een vloeistof naar vaste stof stollen,
  • van vast naar gasvormig vervluchtigen,
  • en van een gas naar vast rijpen/neerslaan/afzetten.

Met latente warmte (latente is verborgen) bedoelen we de energie die nodig is om van een vaste naar vloeibare of van een vloeibare naar gasvormige toestand te gaan. Voor verdampen is warmte nodig. Bij condensatie komt die warmte weer vrij en wordt afgegeven aan de omringende lucht. 

Wat gebeurt er als ijs verwarmd wordt?

De ijsmolecullen die in een stuk ijs in een regelmatig patroon liggen (kristalrooster) trillen een klein beetje. Daalt de temperatuur dan trillen ze minder. Bij verwarming beginnen ze meer te trillen. Bij een bepaalde temperatuur trillen ze zo hevig dat de ijskristallen uiteenvallen. Het ijs smelt. Dit is het smeltpunt en de tempertuur waarbij dit gebeurt is 0 0C.

Gesmolten ijs is veranderd in water. De moleculen bewegen zich nu door de hele stof. Wordt de temperatuur verder verhit, dan bewegen de moleculen sneller door de hele vloeistof. Sommige moleculen bewegen zo snel dat ze meer ruimte nodig hebben. Ze komen los van de vloeistof. Dit is verdampen. Bij 100 0C verlaten veel moleculen de vloeistof. Ga je door met verhitten dan stijgt de temperatuur niet verder maar neemt het verdampen toe. Dit is het kookpunt van de vloeistof.

Wanneer waterdamp afkoelt dan beginnen de moleculen langzamer te bewegen. De waterdamp condenseert. Koelt de gecondenseerde waterdamp nog verder af dan bewegen de moleculen nog langzamer.  Wordt er nog meer warmte aan de vloeistof onttrokken, dan bewegen de moleculen nog maar op één plaats. De vloeistof stolt (bevriest) en wordt weer ijs. 

Waterdamp kan ook rechtstreeks van gas naar vast overgaan. Dit heet sublimeren. Bij waterdamp heet dit ook wel depositie of rijpen. 

 

3.3.3 ADIABATISCHE PROCESSEN

  • Adiabatische processen, stabilitiet van de atmosfeer

Stabiliteit van de atmosfeer
Met
 stabiliteit bedoelen we de de eigenschap om na een verstoring het evenwicht te herstellen. Er zijn drie vormen van stabiliteit: stabiel, onstabiel en indifferent.

  • Stabiel wil zeggen dat na een verstoring wordt teruggekeerd naar de oorspronkelijke evenwichtstoestand.
  • Bij onstabiel wordt na een verstoring nooit teruggekeerd naar een evenwichtstoestand.
  • Bij indifferent ontstaat een nieuwe evenwichtstoestand op een andere plek. 

Deze drie mogelijkheden zie je op de afbeelding hierboven afgebeeld:

  1. Stabiel: Een knikker in een kom verkeert in stabiel evenwicht. Na een verstoring zal het kogeltje z'n oorspronkelijk positie weer innemen.
  2. Onstabiel: Een knikker op een bol vlak is in onstabiel evenwicht. Na de verstoring wordt de afwijking steeds groter.
  3. Indifferent: Een knikker op een vlakke plaat is in indifferent evenwicht. Na een verstoring komt de knikker op een andere plaats tot rust.

Voor het ontstaan van thermiek is onstabiele lucht nodig. 

Lucht is onstabiel als een pakketje stijgende lucht doorgaat met stijgen. Dit gebeurt zo lang het pakketje stijgende lucht warmer is dan de temperatuur van de lucht waar het in stijgt. 

Adiabatische processen
Een proces is adiabatisch als er geen warmte met de omgeving wordt uitgewisseld. Het stijgen van de thermiekbel noemen we een adiabatisch proces omdat er (bijna) geen warmte-uitwisseling met de omringende lucht plaats vindt. Lucht is namelijk een goede isolator, geleidt warmte slecht en geeft de warmte niet af aan de omringend lucht. Een bel lucht met een andere temperatuur en luchtvochtigheid mengt niet gemakkelijk met andere lucht. Als een heteluchtballon gaat zo'n bel lucht omhoog.

De stijgende lucht koelt af met 1°C per 100 meter tot aan het condensatieniveau. Dit noemen we de droogadiabaat. Boven het condensatieniveau ontstaat er een wolk. Om water te laten verdampen heb je warmte nodig. Bij condensatie komt warmte vrij en die warmte wordt aan de stijgende lucht toegevoegd. De lucht koelt nu bij het stijgen niet meer af met 1°C per 100 meter maar (afhankelijk van druk en temperatuur) met bijvoorbeeld 0,7°C per 100 meter . De afname van de temperatuur boven het condensatieniveau noemen we de natadiabaat .

Wanneer de zon schijnt wordt de grond warm. Door geleiding wordt de onderste lucht warmer. Lucht is een slechte geleider zodat de overdracht van de warmte van de grond beperkt blijft tot de onderste laag. Er kan zich dan boven de grond een meters dikke deken warmere lucht te liggen.

 

 

In de onderste 5 meter kan de temperatuur wel met 5 0C afnemen. Dit noemen we een superdiabatische laag omdat de temperatuurafname daar veel groter is dan 1 0C per 100 m. Zo'n superadiabatische laag is zeer onstabiel.

Afb.uit de video Wolken, Wind ind Thermik (zie onderaan dit hoofdstuk)

In graanvelden wordt soms een temperatuurverschil van 7 0C met de lucht daar vlak boven gemeten. De wind of een obstakel kunnen gemakkelijk voor een verstoring zorgen.

Door een verstoring komt een thermiekbel los. De warme lucht stijgt en koelt 1 °C per 100 m af. De stijgende lucht die ondertussen afkoelt, raakt op een bepaalde hoogte verzadigd en er ontstaat condensatie. De stapelwolk verraadt dat daar stijgen zit. 

Een ervaren zweefvlieger leert de wolken te lezen en bepaalt welke thermiekbel hij wel pakt en welke niet. Thermiekbellen in de vorm van een driehoek met de punt omhoog (b;oemkoolwolken) geven in de regel de beste thermiek. Het stijgen zit meestal aan de zon-windzijde.

Wanneer de bel niet meer van warme lucht wordt voorzien dan lost de wolk op. Zo'n wolk lijkt meer op een ongekeerde driehoek met oplossende wolkenflarden. Het is niet meer een scherpomijnde bloemkoolwolk,. De wolk wordt steeds meer doorzichtig.

Overontwikkeling
Als de lucht erg onstabiel en vochtig is dan worden er sneller wolken gevormd dan de oude wolken kunnen oplossen. Dit heet overontwikkeling.  De bewolking neemt steeds verder toe en  schermt de zon af. Op de grond zie je steeds minder plaatsen waar de zon de nog schijnt. Daardoor koelt de grond af en de thermiek verdwijnt. Na verloop van tijd lost de bewolking weer op, de zon bereikt de grond weer en de thermiek neemt weer toe. 

Blauwe thermiek
De lucht stijgt niet altijd zover door dat er een wolk ontstaat. Wanneer de stijgende lucht niet doorstijgt tot het condensatieniveau dan spreken we van droge thermiek of ook wel blauwe thermiek. Blauwe thermiek is moeilijker te vinden maar geeft net zoveel stijgen. Blauwe thermiek zoek je vooral door goed naar de grond te kijken. Natte graslanden en meren moet je vermijden, donkere grond of zandgrond warmen het meest op. Zoek aan de lijzijde van dorpen of steden en op die plekken waar warme lucht van bijvoorbeeld graanakkers door een bomenrij gedwongen wordt op te stijgen. 

Stijgt de lucht wel door tot het condensatieniveau, dan ontstaan er cumuluswolken en dat noemen we ook wel natte thermiek

Stabiele lucht De temperatuur van de lucht neemt met de hoogte af. Bij een warme bovenlucht stijgen thermiekbellen niet of nauwelijks. Ze komen los en stuiten op warme lucht. Het stijgen stopt zodra de temperatuur van de bel gelijk is aan de omringende lucht. Gebeurt dit laag bij de grond dan zeggen we dat de lucht stabiel is. Dat merk je aan het zweefvliegen. De lucht is rustig; het zweefvliegtuig wordt niet verstoord en is heel gemakkelijk te besturen. Alleen in de onderste meters merken we soms iets van de loskomende bellen die even opstijgen. We zeggen dan heel hoopvol: "Het rommelt al een beetje".

Onstabiele lucht komt los en gaat door met stijgen. Pas op grotere hoogte is de temperatuur van de stijgende luchtbel gelijk aan de omringende lucht. De laag tot aan de hoogte waar het stijgen ophoudt is onstabiel. Het loskomen van de thermiekbellen is altijd weer anders. Hoe en wat voor soort bellen er ontstaan hangt van veel factoren af. 

Komt een bel los dan zuigt hij de hele omgeving leeg en gaat de warme lucht als een grote slurf omhoog. Naast de stijgende lucht zie je op de afbeelding ook dalende lucht getekend. Daar waar een bel is opgestegen onstaat een tekort aan lucht en dat wordt weer aangevuld. Zo ontstaat er weer evenwicht in de atmosfeer. Voor je een thermiekbel invliegt, merk je vaak die dalende lucht en zo weet je dat je bijna bij de bel bent. Die dalende lucht wordt steeds meer samengedrukt, want hij komt in een omgeving waar de druk hoger is. Door dit samendrukken komt energie vrij, de temperatuur in die dalende lucht neemt met 10C per 100 m toe. Het dalen gaat door zolang de temperatuur in de dalende lucht kouder is dan in de omringende lucht. 

Door de wind staat een thermiekslurf enigszins scheef. Je zoekt de thermiekslurf dan ook aan de lijzijde van de plek waar je het loskomen van thermiekbellen verwacht. Bij harde wind komen de bellen veel eerder los, staat de thermiekslurf schever en ontstaan er ellipsvormige of verwaaide thermiekbellen.

Op de plaats waar een thermiekbel los kwam zullen, als de omstandigheden zich niet wijzigen, steeds weer nieuwe bellen loskomen. Bij een zweefvliegveld spreken ze dan ook vaak van de huisbel. De plek waar je in de regel het stijgen te pakken krijgt. 

 

Een opstijgende thermiekbel drukt de lucht boven zich opzij. In de bel ontstaat een draaibeweging waarbij je in het midden het sterkste stijgen vindt en aan de randen het minste. Door de stroming onderin helpt de bel bij het centreren. In het midden van de thermiekbel komen geregeld stijgwaarden van 3, 4 of 5 m/s voor. Bovenin de bel neemt het stijgen af en door de naar buitengerichte stroming is het centreren er moeilijker. 

 

De thermiek komt meestal pas los als de zon boven een hoek van 45° boven de horizon staat. 's Winters is er in ons land zelden sprake van goede thermiek, midden in de zomer geregeld en gedurende een groot gedeelte van de dag.

Grondinversie
's Nachts straalt de aarde warmte uit. Bij wolkenloze nachten is die uitstraling het grootst. Het grondoppervlak koelt sterk af. Bij weinig of geen wind vormt zich dan een koude laag boven het aardoppervlak die aanmerkelijk kouder is dan de lucht daarboven.

We noemen dit een grondinversie. Deze laag kan enkele tientallen meters dik zijn. De thermiek komt pas los als de zon de inversielaag eruit gebrand heeft. 

 

De thermiek komt vaak tussen tien en 12 uur los, is meestal 's middags tussen drie en vier uur het sterkst, neemt daarna af en eindigt vaak om een uur of zes. Bij overlandvliegen is het verstandig om om vier uur te berekenen of je niet aan de terugtocht moet beginnen.

Tegenwoordig zijn er websites die ons vertellen hoe sterk de thermiek wordt, hoe hoog de thermiek gaat en hoe laat de thermiek loskomt en tot hoe laat het stijgen doorgaat. Dit kun je zelf ook berekenen met behulp van de gegevens van de KNMI.

 

Op deze kaart is met de schuine lijnen om de twee graden droogadiabaten getekend. Wordt het op een dag 30°C dan is de lijn die bij 30°C staat de droogadiabaat.

Eerst teken je op de kaart de toestandskromme, dat is een lijn die je kunt trekken als je de temperaturen op verschillende hoogten hebt ingevuld. In het voorbeeld de blauwe lijn. Vervolgens trek je een lijn bij de maximum temperatuur die voor jouw gebied verwacht wordt. Hier de rode lijn bij 21°C. Dat wordt de droogadiabaat van die dag. Volgens die lijn koelt de stijgende lucht af. Zo lang de temperatuur van de stijgende lucht rechts van de toestandskromme blijft gaat het stijgen door. Bij het condensatieniveau (wolkenbasis) begint de natadiabaat en die gaat iets minder schuin omhoog.

De wolkenbasis kun je berekenen door het verschil uit te rekenen tussen de maximum temperatuur en die van het dauwpunt. Dat getal vermenigvuldig je met 120 en dan heb je een globale inschatting van de wolkenbasis in meters.

Wolkenstraten
Onder bepaalde omstandigheden ontstaan er wolkenstraten meestal in de richting van de wind met daaronder behoorlijk stijgen. Als je daaronder vliegt kun je zonder te draaien enorme afstanden afleggen. 

Vooral na passage van een koufront met behoorlijk wat wind is er kans op zulke straten. Aan de achterkant van een koufrontpassage (Rückenseitewetter) is het vaak prima zweefvliegweer. Wolkenstraten zijn ideaal voor recordvluchten als je de route zo weet te plannen dat je een keer met de wind mee en een keer tegen de wind in zo'n straat kunt pakken. 

Bij weinig of geen wind zijn de thermiekbellen vrij regelmatig over de grond verdeeld en de horizontale afstand tussen de bellen bedraagt meestal ongeveer 2½ keer de thermiekhoogte. Bij meer wind neigen thermiekbellen ernaar zich in rijen te ordenen, parallel aan de windrichting.

Soms gaan de thermiekwolken zich oplijnen in wolkenstraten. Wolkenstraten ontstaan bij:

  • een vrij krachtige wind 
  • een vrij constante wind
  • een toenemende windsterkte met de hoogte die in de buurt van de wolkengrens weer afneemt
  • een inversielaag met daaronder thermiek

De afstand tussen de straten is ook in dit geval ongeveer 2½ keer de thermiekhoogte. De wolkenstraten vormen zich vrijwel evenwijdig aan de windrichting (de afwijking is meestal kleiner dan 200 met de windrichting). Tussen de straten bevinden zich evenwijdig aan de wolkenstraten gebieden met extra dalen.

Ook bij blauwe thermiek kunnen er straten ontstaan en is hun onderlinge afstand op dezelfde wijze te berekenen.

Adiabatische processen in de bergen

  • Lucht gaat ook stijgen als het over een berg heen moet.
  • Het stijgen zit aan de windzijde van de helling, aan de andere kant zit dalen.
  • Het stijgen langs de helling is niet gelijkmatig maar erg verstoord.

Ook in de bergen koelt de lucht, die bij de berg omhoog moet, af met 1°C per 100 meter. Aan de loefzijde van de berg kan de stijgende lucht het condensatieniveau bereiken, doorstijgen als natadiabaat en zelfs neerslag geven. Aan de luwzijde daalt de lucht, de lucht warmt op volgens de droogadiabaat en geeft aan de luwzijde mooi weer (föhn).

Het bezit van een LAPL(S) geeft je het recht om in de bergen te gaan zweefvliegen. Bergvliegen is een schitterende ervaring, maar om veilig te kunnen bergvliegen moet je eerst les nemen. Thermiekvliegen heb je met een instructeur in de praktijk geleerd en zo moet je het bergvliegen in de tweezitter leren van een ervaren bergvlieginstructeur. 

In de bergen heb je hellingen waar de zon al vroeg in de morgen of juist laat in de middag met een hoek van 90° op de helling schijnt. Daardoor is het verloop van de thermiek in de bergen anders dan in het vlakke Nederland.

Hieronder de video: Wolken, Wind und Thermik.  Een video, gemaakt voor schermvliegers, maar ook heel leerzaam voor zweefvliegers( 55 minuten).