Наличие порывов ветра, аномалии?

Я думаю, что ответ на этот вопрос лежит в «теории хаоса», которую также можно описать как нелинейную динамику.

Приведем пример простой линейной системы: если вы хотите проехать от западного побережья США до восточного побережья США на машине со средней скоростью 60 миль в час в течение 12 часов в день, вы можете предсказание того, сколько времени займет путешествие. Если вместо этого, когда путешествие происходит, вы в среднем 55 или 65 миль в час, время прибытия изменится немного, но не так сильно.

В нелинейной динамике небольшие изменения могут привести к огромным изменениям — даже к совершенно другому поведению. Рассмотрим, например, воду, текущую по реке. Если вода течет медленно, ее можно с достаточной степенью вероятности предсказать, но по мере увеличения скорости течения вы можете получить «турбулентность», в воде образуются небольшие водовороты или «завихрения», и течение становится более сложным. Когда река течет очень быстро, течение снова меняется.

Итак, чтобы вернуться к вопросу - я думаю, что порывы ветра немного похожи на бурный поток воды вниз по реке. Если ветер очень слабый, вы можете получить устойчивый легкий ветерок, но при более сильном ветре потоки воздуха могут быть более непредсказуемыми. Надеюсь, это будет полезно.

Изображение водоворота в реке

Термодинамика дает нам информацию о том, что возможно и что невозможно. Например, он говорит нам, что камень не упадет вверх и не устремится к вершине горы, но если камень столкнуть с вершины горы, он может скатиться вниз до самого подножия. Термодинамика ничего не говорит нам о том, как камень будет катиться вниз и будет ли он двигаться быстрее в одной точке или медленнее в другой. Продвижение вниз по горе, конечно, будет зависеть от множества факторов, таких как путь, по которому движется камень.

Сначала я уточню, чем не являются порывы ветра, для ясности ума:

Термодинамика, как вы могли столкнуться с ней в курсе физики, является статической теорией, в отличие от динамических теорий.
Точнее, в университете обычно преподают равновесную термодинамику. Вы вычисляете равновесное состояние системы, в котором она окажется, но понятия не имеете, как она это сделает.

Игнорирование того, как система достигает состояния равновесия, допустимо для газов, которые работают в машинах, поскольку микроскопические временные рамки обмена энергией достаточно малы (или вы могли бы сказать эквивалентно:$dQ$очень мало по сравнению с другими формами работы). Таким образом, вы можете описать динамический процесс, как адиабатическую работу, со статической теорией, так что на самом деле исторически инженерам очень повезло.

Работа, с которой вы связались (термодинамика диффузии), теперь наверняка будет использовать концепции неравновесной термодинамики : когда$dQ$больше нельзя пренебрегать, но все еще мало, вы можете аппроксимировать путь к равновесию потоками энергии, которые являются градиентами равновесных переменных$F = c \nabla X$и с линейной эволюцией$\partial_t X = \nabla F$.

Однако, если у нас есть произвольные потоки энергии, а также импульса, равновесная термодинамика вам больше не поможет (на самом деле). Затем «природа» будет делать другие вещи, вещи, которые мы можем понять с помощью теории гидродинамики, в которой очень важны уравнения Навье-Стокса .

Ветер обычно возникает из-за различий в нагреве, поэтому снова у нас будут потоки энергии и импульса. Итак, ссылаясь на ваш вопрос, ветер - это попытка энергии уравновеситься, но при огромных различиях энергии. При небольших перепадах он просто расплывался бы.

А порывы ветра теперь являются нелинейными или «хаотическими» решениями уравнений жидкости (как указал @tom).

Приложение: прочитав еще немного статьи в Википедии о неравновесной термодинамике, я вижу, что существует значительное исследование того, как обобщить неравновесные явления с помощью экстремальных принципов. Экстремальный принцип равновесной термодинамики — это просто минимизация производства энтропии, но по остальным пока нет единого мнения.
Так что на самом деле ваш вопрос касается действительно недавних теоретических исследований.