La temperatura potencial d'una parcel·la de fluid a pressió és la temperatura que assoliria la parcel·la si es portés adiabàticament a una pressió de referència estàndard , normalment . La temperatura potencial es denota per i, per a un pou de gas aproximat com a ideal, ve donat per

on és la temperatura absoluta actual (en K) de la parcel·la, és la constant específica dels gasos de l'aire, i és la capacitat calorífica específica a pressió constant. per a l'aire (meteorologia). El punt de referència per a la temperatura potencial a l'oceà sol ser a la superfície de l'oceà, que té una pressió d'aigua de 0 dbar. La temperatura potencial a l'oceà no té en compte les diferents capacitats calorífiques de l'aigua de mar, per tant, no és una mesura conservadora del contingut de calor. La representació gràfica de la temperatura potencial sempre serà inferior a la línia de temperatura real en un gràfic de temperatura vs profunditat. miniatura|Temperatura conservativa vs. temperatura potencial

Contextos El concepte de temperatura potencial s'aplica a qualsevol fluid estratificat. S'utilitza amb més freqüència en les ciències atmosfèriques i l'oceanografia. La raó per la qual s'utilitza en ambdós camps és que els canvis de pressió poden fer que un fluid més càlid resideixi sota un fluid més fred; per exemple, la disminució de la temperatura de l'aire amb l'altitud i l'augment de la temperatura de l'aigua amb la profunditat en fosses oceàniques molt profundes i dins de la capa mixta oceànica. Quan s'utilitza la temperatura potencial, aquestes condicions aparentment inestables desapareixen, ja que una parcel·la de fluid és invariant al llarg de les seves isolínies. Als oceans, la temperatura potencial referida a la superfície serà lleugerament inferior a la temperatura in situ (la temperatura que té un volum d'aigua a la profunditat específica a la qual l'instrument el va mesurar), ja que l'expansió deguda a la reducció de la pressió condueix al refredament. La diferència numèrica entre la temperatura in situ i la temperatura potencial és gairebé sempre inferior a 1,5 graus Celsius. Tanmateix, és important utilitzar la temperatura potencial quan es comparen temperatures de l'aigua de profunditats molt diferents.

Comentaris La temperatura potencial és una quantitat dinàmicament més important que la temperatura real. La raó és que no es veu afectada per l'elevació o l'enfonsament físic associats amb el flux sobre obstacles o turbulències atmosfèriques a gran escala. Una parcel·la d'aire que es mou sobre una petita muntanya s'expandirà i es refredarà a mesura que ascendeix pel pendent, després es comprimirà i s'escalfarà a mesura que descendeix per l'altre costat, però la temperatura potencial no canviarà en absència d'escalfament, refredament, evaporació o condensació (els processos que exclouen aquests efectes es denominen adiabàtic sec). Com que les parcel·les amb la mateixa temperatura potencial es poden intercanviar sense que es requereixi treball ni escalfament, les línies de temperatura potencial constant són vies de flux naturals.

En gairebé totes les circumstàncies, la temperatura potencial augmenta cap amunt a l'atmosfera, a diferència de la temperatura real, que pot augmentar o disminuir. La temperatura potencial es conserva per a tots els processos adiabàtics secs i, com a tal, és una quantitat important a la capa límit planetària (que sovint és molt propera a ser adiabàtica seca). miniatura|Temperatura potencial i estabilitat hidroestàtica La temperatura potencial és una mesura útil de l'estabilitat estàtica de l'atmosfera insaturada. En condicions normals i estratificades de manera estable, la temperatura potencial augmenta amb l'alçada,

i els moviments verticals es suprimeixen. Si la temperatura potencial disminueix amb l'alçada,

L'atmosfera és inestable als moviments verticals i la convecció és probable. Com que la convecció actua barrejant ràpidament l'atmosfera i tornant-la a un estat estratificat estable, les observacions de disminució de la temperatura potencial amb l'alçada són poc freqüents, excepte mentre hi ha una convecció vigorosa o durant períodes de forta insolació. Les situacions en què la temperatura potencial equivalent disminueix amb l'alçada, cosa que indica inestabilitat en l'aire saturat, són molt més comunes.

Com que la temperatura potencial es conserva sota moviments d'aire adiabàtics o isentròpics, en estat estacionari, les línies de flux adiabàtic o les superfícies de temperatura potencial constant actuen com a línies de corrent o superfícies de flux, respectivament. Aquest fet s'utilitza en l'anàlisi isentròpica, una forma d'anàlisi sinòptica que permet la visualització dels moviments de l'aire i, en particular, l'anàlisi del moviment vertical a gran escala.

Possibles pertorbacions de temperatura La pertorbació de la temperatura potencial de la capa límit atmosfèrica (ABL) es defineix com la diferència entre la temperatura potencial de l'ABL i la temperatura potencial de l'atmosfera lliure per sobre de l'ABL. Aquest valor s'anomena dèficit de temperatura potencial en el cas d'un flux catabàtic, perquè la superfície sempre serà més freda que l'atmosfera lliure i la pertorbació PT serà negativa.

Derivació La forma d'entalpia de la primera llei de la termodinàmica es pot escriure com:

on denota el canvi d'entalpia, la temperatura, el canvi d'entropia, el volum específic, i la pressió.

Per a processos adiabàtics, el canvi d'entropia és 0 i la primera llei es simplifica a:

Per a gasos aproximadament ideals, com ara l'aire sec de l'atmosfera terrestre, l'equació d'estat, es pot substituir a la primera llei, donant lloc, després d'alguna reorganització:

on el i es va utilitzar ambdós termes dividits pel producte

Integrant rendiments:

i resolent per , la temperatura que adquiriria una parcel·la si es mogués adiabàticament fins al nivell de pressió , obtens:

Temperatura virtual potencial La temperatura virtual potencial , definit per

és la temperatura potencial teòrica de l'aire sec que tindria la mateixa densitat que l'aire humit a una pressió estàndard P 0. S'utilitza com a substitut pràctic de la densitat en els càlculs de flotabilitat. En aquesta definició és la temperatura potencial, és la proporció de mescla de vapor d'aigua i és la proporció de mescla de l'aigua líquida a l'aire.

Quantitats relacionades La freqüència de Brunt-Väisälä és una quantitat estretament relacionada que utilitza la temperatura potencial i s'utilitza àmpliament en investigacions d'estabilitat atmosfèrica.

Referències

Categoria:Dinàmica de fluids Categoria:Atmosfera