Giáo trình Vật lí khí quyển: Phần 2 – PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng

Mời các bạn tham khảo phần 2 của "Giáo trình Vật lí khí quyển" để nắm chi tiết các kiến thức về chuyển động đối lưu trong khí quyển; động lực học khí quyển; hoàn lưu khí quyển. Đây là tư liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên trong quá trình học tập.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Vật lí khí quyển: Phần 2 – PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONG KHÍ QUYỂN 5.1. Khái niệm về nhiệt động lực, quá trình đoạn nhiệt và độ bền vững của khí quyển 5.1.1. Những biến đổi đoạn nhiệt của nhiệt độ không khí khô Quá trình đoạn nhiệt là những quá trình xảy ra trong một khối không khí riêng biệt nào đó, không có nhiệt dồn từ bên ngoài vào và không có nhiệt trả lại cho không gian xung quanh. Giả sử có một khối không khí chuyển động theo phương đứng một cách đoạn nhiệt. Tức là không xảy ra một sự trao đổi nào cả giữa khối không khí đang xét và xung quanh. Tuy nhiên, nhiệt độ của khối không khí di chuyển sẽ thay đổi do sự biến đổi của áp suất mà khối không khí đó chịu tác động và do sự biến đổi thể tích của nó: Khi bốc lên cao, khối không khí bị lạnh đi vì phải tiêu thụ một công để nở ra. Trái lại, khi hạ xuống dưới thì nó nóng lên do lực bên ngoài (áp suất khí quyển xung quanh tác động) thực hiện một công để nén khối không khí đó lại. Giả sử một lượng nhiệt nhỏ dQ được truyền từ bên ngoài vào một đơn vị khối lượng không khí khô (1g). Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học: dQ = CvdT + PdV (5.1) Trong đó: Cv = Q/T khi v = const là nhiệt dung của không khí khi thể tích không đổi. P là áp suất. V là thể tích riêng. T là nhiệt độ không khí cho sẵn. Thành phần thứ nhất bên phải là dùng để làm tăng nhiệt độ không khí và thứ hai là công dãn nở của nó với áp suất bên ngoài không đổi. 9594 Giáo trình Vật lý khí quyển Từ phương trình PV = RkkT ta có: PdV + VdP = RkkdT (5.2) (Rkk = 287  104 cm2/(s2x0K)). Thay vào (5.1) ta được: dQ = (Cv + Rkk)dT - VdP (5.3) Biết Cp = Q/T khi p = const và Cp = Cv + Rkk. Khi đó: dQ = CpdT - VdP (5.4) Nếu là quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0 và CpdT = VdP (5.5) Thay V = RkkT/P được: CpdT = RkkTdP/P = (Cp – Cv)TdP/P (5.6) dT/T = (Rkk/Cp)dP/P = [(Cp – Cv)/Cp]dP/P (5.7) ln(T/To) = (Rkk/Cp)ln(P/Po) = [(Cp – Cv)/Cp]ln(P/Po)(5.8) Rkk/Cp hay T/To = (P/Po) = (P/Po)[(Cp – Cv)/Cp] = (P/Po)[(χ – 1)/χ] χ = Cp/Cv gọi là hệ số Poát Xông hay chỉ số đoạn nhiệt; χ = 1,4 và Rkk/Cp = 0,288 T/To = (P/Po)[(χ – 1)/χ] = (P/Po) 0,288 gọi là công thức Poát Xông (5.9) Trong đó: T và P là nhiệt độ tuyệt đối và áp suất của không khí khi trạng thái của nó biến đổi một cách đoạn nhiệt; To và Po là giá trị ban đầu. Công thức Poát Xông cho biết sự liên hệ giữa những biến đổi của nhiệt độ và áp suất trong các quá trình đoạn nhiệt. Theo phương trình tĩnh học cơ bản dP = -gdz, từ (5.6) sẽ được: CpdT = -Vgdz và V = 1 9596 Giáo trình Vật lý khí quyển a = -dT/dz = g/Cp gọi là gradient đoạn nhiệt khô (5.10) Đại lượng a = -dT/dz = g/Cp = 0,000098 độ/cm = 0,01 độ/m = 1 độ/100m là gradient đoạn nhiệt khô đối với không khí chưa bão hoà. Biết được độ lớn của gradient đoạn nhiệt khô a, có thể tìm được nhiệt độ T của khối không khí bốc lên đoạn nhiệt khô ở một độ cao bất kỳ z: T = To - az (5.11)  = -dT/dz là gradient hình học (thẳng đứng), T được xác định theo: T = To - z (5.12) 5.1.2. Gradient đoạn nhiệt ẩm Đối với không khí bão hoà hơi nước, khi bốc lên cũng bị lạnh đi, nhưng có một phần hơi nước trong không khí ngưng kết lại, và khi ngưng kết có ẩn nhiệt giải phóng ra làm giảm mức độ lạnh. Do đó gradient đoạn nhiệt ẩm a = -dT/dz sẽ nhỏ hơn gradient đoạn nhiệt khô a = 1độ/100m (a < a). Công thức (5.4) được viết lại đối với không khí ẩm là: dQ = CpdT - VdP + Ldq (5.13) Trong đó: L là ẩn nhiệt hoá hơi (L = 600 calo/g). dq là độ biến thiên của độ ẩm riêng, bằng lượng nước đã ngưng kết lại hoặc mới bốc hơi. Trong quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0, nên: CpdT - VdP + Ldq = 0 (5.14) Theo công thức về độ ẩm riêng đối với không khí bão hoà: q = 0,622e/P hay dq = 0,622(de/P - edP/P2); khi đó: dq/q = de/e - dP/P (5.15) 9796 Giáo trình ...