Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 1

Các định luật vật lý cơ bảnMục tiêu của ch-ơng này nhằm giới thiệu các định luật vật lí cơ bản điều khiển hoàn l-u khí quyển và biểu diễn các định luật này d-ới dạng biểu thức toán học.1.1 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực họcĐịnh luật thứ nhất có thể đ-ợc diễn tả định tính một cách đơn giản nh- sau: nhiệt là một dạng năng l-ợng. Sự chuyển hoá nhiệt năng d-ới các dạng khác nhau của cơ năng là một quá trình điều khiển hoàn l-u khí quyển toàn cầu và là nguyên nhân...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 1 ch−¬ng 1. c¸c ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n Môc tiªu cña ch−¬ng nμy nh»m giíi thiÖu c¸c ®Þnh luËt vËt lÝ c¬ b¶n ®iÒu khiÓnhoμn l−u khÝ quyÓn vμ biÓu diÔn c¸c ®Þnh luËt nμy d−íi d¹ng biÓu thøc to¸n häc.1.1 §Þnh luËt thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc häc §Þnh luËt thø nhÊt cã thÓ ®−îc diÔn t¶ ®Þnh tÝnh mét c¸ch ®¬n gi¶n nh− sau: nhiÖtlμ mét d¹ng n¨ng l−îng. Sù chuyÓn ho¸ nhiÖt n¨ng d−íi c¸c d¹ng kh¸c nhau cña c¬n¨ng lμ mét qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu vμ lμ nguyªn nh©nh×nh thμnh c¸c hÖ thèng thêi tiÕt mμ hÖ qu¶ nhiÒu n¨m cña nã lμ qui ®Þnh ®Æc ®iÓmkhÝ hËu cña tõng khu vùc. Sù chuyÓn ho¸ nhiÖt n¨ng nμy sÏ ®−îc ®Ò cËp mét c¸ch chitiÕt h¬n trong Ch−¬ng 3. Trong môc nμy, sÏ tr×nh bμy c¸ch biÓu diÔn ®Þnh luËt thønhÊt d−íi d¹ng biÓu thøc to¸n. Tuy nhiªn, tr−íc hÕt ta cÇn xem xÐt c¸c ®Æc tÝnh nhiÖt®éng lùc cña chÊt khÝ cÊu t¹o nªn khÝ quyÓn. “Tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc” cña mét phÇn tö khÝ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng mét sè ®Æctr−ng nh−: thμnh phÇn cÊu t¹o, ¸p suÊt, mËt ®é, nhiÖt ®é,... Thùc tÕ, c¸c ®Æc tr−ng nμykh«ng hoμn toμn ®éc lËp víi nhau, chóng cã mèi liªn hÖ víi nhau b»ng ph−¬ng tr×nhtr¹ng th¸i cña chÊt khÝ. Gi¶ thiÕt chØ cã mét thμnh phÇn cña kh«ng khÝ biÕn ®æi ®¸ng kÓ, ®ã lμ h¬i n−íc.C¸c chÊt khÝ cßn l¹i cÊu t¹o nªn khÝ quyÓn ®Òu cã mét tû lÖ kh«ng ®æi, cã thÓ duy tr×®Õn ®é cao rÊt lín. Thμnh phÇn khÝ chñ yÕu lμ nit¬ vμ «xy, argon vμ khÝ cacbonicchiÕm tû lÖ nhá h¬n. C¸c khÝ kh¸c chØ chiÕm mét l−îng rÊt nhá trong khÝ quyÓn; métsè chÊt khÝ rÊt quan träng qui ®Þnh tÝnh trong suèt cña khÝ quyÓn ®èi víi c¸c tÇn sèkh¸c nhau cña bøc x¹ ®iÖn tõ, mét sè chÊt khÝ kh¸c ®ãng vai trß quan träng ®èi víi c¸c®Æc tÝnh ho¸ häc cña khÝ quyÓn. Tuy nhiªn víi môc ®Ých nghiªn cøu nμy chóng sÏ ®−îcbá qua. B¶ng 1.1 tæng kÕt c¸c thμnh phÇn c¬ b¶n cña kh«ng khÝ kh«. B¶ng 1.1 C¸c thµnh phÇn cña kh«ng khÝ kh« ChÊt khÝ Tû hçn hîp theo thÓ tÝch Nit¬ (N2) 0,78083 ¤xi (O2) 0,20947 Argon (Ar) 0,00934 Cacbonic (CO2) 0,00033- 18 - Chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn h¬i n−íc trong c¸c phÇn sau. NÕu gi¶ thiÕt kh«ng khÝ lμkh«, khi ®ã ¸p suÊt p, nhiÖt ®é T vμ mËt ®é  liªn hÖ víi nhau bëi ®Þnh luËt ®èi víichÊt khÝ lÝ t−ëng p  RT (1.1) Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i nμy cÇn cã sù biÕn ®æi ®èi víi nh÷ng khu vùc cã khÝ ¸prÊt cao vμ nhiÖt ®é rÊt thÊp. Tuy nhiªn, trong kho¶ng biÕn ®æi nhiÖt ®é vμ khÝ ¸p thùccña khÝ quyÓn th× ph−¬ng tr×nh nμy kh¸ phï hîp. H»ng sè chÊt khÝ R cã quan hÖ víih»ng sè chÊt khÝ vò trô R* b»ng c«ng thøc sau R  R* / m (1.2)trong ®ã m lμ träng l−îng trung b×nh (theo thÓ tÝch) cña phÇn tö khÝ trong hçn hîpkh«ng khÝ kh«. Ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i (1.1) cho thÊy chØ cÇn biÕt hai trong ba ®¹il−îng p, T hay  lμ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc cña kh«ng khÝ. §«ikhi thuËn tiÖn h¬n ng−êi ta th−êng sö dông “thÓ tÝch riªng”  = 1/ (lμ thÓ tÝch chiÕmbëi mét ®¬n vÞ khèi l−îng kh«ng khÝ) h¬n lμ sö dông mËt ®é . NhiÖt ®é kh«ng khÝ lμ th−íc ®o néi n¨ng cña kh«ng khÝ, tøc lμ n¨ng l−îng qui®Þnh bëi chuyÓn ®éng ngÉu nhiªn cña c¸c ph©n tö vμ sù quay, sù chuyÓn ®éng bªntrong. NÕu hai khèi khÝ ®−îc trén lÉn vμo nhau th× néi n¨ng cña chóng nhanh chãngtrao ®æi víi nhau vμ nhiÖt ®é cña chóng sÏ b»ng nhau. Khi nhiÖt ®é cña chóng kh«ngb»ng nhau, dßng nhiÖt cã h−íng tõ khu vùc nãng sang khu vùc l¹nh. BiÕn ®æi vi ph©ncña néi n¨ng U cña mét ®¬n vÞ khèi l−îng kh«ng khÝ kh« quan hÖ víi nhiÖt ®é b»ngbiÓu thøc dU c v dT (1.3)trong ®ã cv lμ nhiÖt dung ®¼ng tÝch. NÕu mét l−îng nhiÖt dQ ®−îc thªm vμo phÇn tö khÝ th× nã sÏ lμm t¨ng néi n¨ngcña phÇn tö hoÆc lμm biÕn ®æi c¬ n¨ng hoÆc c¶ hai. Tuy nhiªn, sù biÕn ®æi néi n¨ngcéng víi c«ng sinh ra ph¶i c©n b»ng víi l−îng nhiÖt thªm vμo. §©y lμ biÓu thøc to¸nhäc cña ®Þnh luËt thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc häc dQ  dU  dW (1.4) C«ng sinh ra bëi phÇn tö khÝ khi nã d·n në chèng l¹i khÝ ¸p cña kh«ng khÝ xungquanh. Gi¶ thiÕt r»ng khÝ ¸p cña phÇn tö khÝ b»ng víi khÝ ¸p cña kh«ng khÝ xungquanh (®iÒu nμy lu«n ®óng nÕu qu¸ tr×nh d·n në diÔn ra chËm), c«ng sinh ra quan hÖvíi sù biÕn ®æi thÓ tÝch nh− sau dW  pd (1.5)Do vËy biÓu diÔn d−íi d¹ng c«ng cña ®Þnh luËt thø nhÊt nhiÖt ®éng lùc häc cã d¹ng dW  c v dT  pd (1.6)D¹ng thuËn tiÖn h¬n nhËn ®−îc khi ta sö dông ph−¬ng ...