Khí tượng biển - Chương 3

CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN 3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển 3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí 1) Giới thiệu chung Theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học thì “năng lượng toàn phần của một cơ hệ bằng tổng công sinh ra và nhiệt lượng mà cơ hệ nhận được”, nên nếu có một lượng nhiệt dQ cung cho 1 gam không khí thì nó sẽ biến thành nội năng du và công dãn nở APdV: dQ = du + APdV (3-1) ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khí tượng biển - Chương 3CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển 3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí 1) Giới thiệu chung Theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học thì “năng lượng toàn phần của một cơhệ bằng tổng công sinh ra và nhiệt lượng mà cơ hệ nhận được”, nên nếu có một lượngnhiệt dQ cung cho 1 gam không khí thì nó sẽ biến thành nội năng du và công dãn nởAPdV: dQ = du + APdV (3-1) Trong khí tượng thì: dQ chính là biến thiên nhiệt lượng của khối không khí đượcmặt đất đốt nóng; du = Cv dT là nội năng của khối không khí; APdV là công dãn nở không khí; (A là đương lượng nhiệt của công; A = 0,24.10-7cal/ecg). Do đó: dQ = Cv dT + APdV (3-2) Do dV không đo được trực tiếp nên ta phải tìm một biểu thức trung gian: Từ phương trình trạng thái: PV = RT d(PV = RT) ⇒ VdP + PdV = RdT ⇒ PdV = RdT − VdP Lấy vi phân ta có: Thay vào (3-2) ta có: dQ = Cv dT + ARdT − AVdP dQ = (Cv + AR)dT − AVdP (3-3) dQ = (Cp)dT − AVdP (3-4) Trong đó: Cp là nhiệt dung đẳng áp; Cp = 0,24 cal/gđộ ( Vì trong trường hợp đẳng áp: dP = 0 thì: dQ = Cp.dT (*); Vi phân phương trình trạng thái: PdV = RdT, thay vào (3-2), ta có: dQ = CvdT + ARdT = (Cv + AR)dT (**). So sánh (*) và (**) ta có: Cv + AR = Cp ). RT Mà: V= . Do đó: P ART dQ = CpdT − dP (3-5) P Phương trình (3-5) là phương trình nhiệt lực học cơ bản hay dùng trong Khí tượnghọc vì nó có chứa áp suất P, nhiệt độ T là các đại lượng quan trắc được; A, R, Cp là cácđại lượng đã biết. Các phương trình từ (3-1) đến (3-4) đều là các dạng khác nhau của phương trìnhnhiệt động học. ART dQ - Từ phương trình (3-5) có thể tính được dT: dT = + dP Cp Cp P Có nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ của khối không khí không chỉ do dQ mà còn dodP nữa. Chẳng hạn: trong trường hợp dQ > 0 nếu dP > 0 thì nhiệt độ tăng, dP < 0 thìnhiệt độ giảm. - Trường hợp đặc biệt: dQ = 0, ta có phương trình nhiệt lực học như sau: dP Cp dT = ART (3-6) P Và sự biến thiên của nhiệt độ trong khối không khí chỉ phụ thuộc vào sự thay đổicủa áp suất khí quyển. Trong khí tượng, người ta gọi quá trình ứng với dQ = 0 này là quá trình đoạnnhiệt. Thực ra, trong khí quyển không có quá trình đoạn nhiệt một cách hoàn toàn (nhấtlà trong lớp khí quyển sát đất nơi tiếp xúc với bề mặt đệm), song trong những trườnghợp riêng biệt, sự trao đổi nhiệt bằng phương thức phân tử, phát xạ là khá nhỏ, thì ởmột chừng mực nào đó có thể bỏ qua sự trao đổi nhiệt của khối không khí với môitrường xung quanh bằng các phương thức này và xem quá trình thăng giáng của khôngkhí là quá trình đoạn nhiệt. Trong quá trình thăng đoạn nhiệt thì nhiệt độ không khí giảm đi, trong quá trìnhgiáng đoạn nhiệt thì nhiệt độ không khí tăng lên. Sở dĩ như vậy vì: không khí bốc lêncao thì dãn nở và tiêu tốn một công để làm dãn nở nó, công này lấy ở nội năng củakhông khí làm cho nhiệt độ khối không khí giảm đi. Ngược lại, không khí ở trên caogiáng xuống tới những lớp có áp suất lớn hơn nên bị nén lại do ngoại lực do đó làmtăng nội năng của không khí làm cho nhiệt độ khối không khí tăng lên. - Các chuyển động thăng, giáng đoạn nhiệt: Các chuyển động thăng, giáng đoạnnhiệt có thể chia làm hai loại: chuyển động thăng, giáng động lực và chuyển động thăng,giáng nhiệt lực. Chuyển động thăng, giáng động lực do nguyên nhân động lực gây nên mà nhân tốchủ yếu là sự hội tụ, phân kỳ trong chuyển động xoáy; là sự nâng lên hay lắng xuốngkhi không khí gặp và vượt qua chướng ngại vật. Chuyển động thăng, giáng nhiệt lực do nguyên nhân nhiệt lực gây nên mà nhân tốchủ yếu là không khí ở tầng dưới bị đốt nóng, tầng trên còn nguội lạnh; là sự giảiphóng tiềm nhiệt do ngưng kết của hơi nước... làm cho građiăng nhiệt độ không khíthẳng đứng tăng. Tất nhiên, trong thực tế có thể có một quá trình thăng giáng đoạn nhiệt bao gồmcả hai nguyên nhân trên, trong đó khi thì nhiệt lực chiếm ưu thế, khi thì động lựcchiếm ưu thế. 2) Quá trình đoạn nhiệt của không khí khô: Không khí khô là không khí không có hơi nước. Sau đây ta xây dựng phươngtrình đoạn nhiệt của không khí khô: a) Phương trình đoạn nhiệt của không khí khô - Công thức Poát xông: Xét một đơn vị khối lượng không khí khô có các đặc trưng là: nhiệt độ Ti, mật độρi và áp suất Pi được đặt trong môi trường xung quanh có các đặc trưng là: nhiệt độ Te,mật độ ρe và áp suất Pe tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt. Vì quá trình chuyểnđộng xảy ra từ từ nên áp suất bên trong của khối không khí cân bằng với áp suất củamôi trường xung quanh và bằng áp suất khí quyển (Pi = Pe= P). Vì quá trình thăng giáng là quá trình đoạn nhiệt nên dQ = 0 và phương trình nhiệt lựccó dạng: dP Cp dT = ART (3-6) P dT AR dP Hay: = (3-7) ...