2: Термодинаміка

Last updated

Oct 26, 2022
Save as PDF
- 1.6: Підсумок та кінцеві завдання
- 2.1: Газові закони

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

2.1: Газові закони
Розуміння атмосферної термодинаміки починається з газових законів, які ви дізналися в хімії. Оскільки ці закони настільки важливі, ми ще раз переглянемо їх тут і розмістимо їх у формах, особливо корисних для атмосферної науки. Ці закони будуть використовуватися знову і знову в багатьох інших областях атмосферної науки, включаючи фізику хмар, структуру атмосфери, динаміку, радіацію, прикордонний шар і навіть прогнозування.
2.2: Структура тиску атмосфери - гідростатична рівновага
Вертикальна структура тиску в атмосфері відіграє вирішальну роль у погоді та кліматі. Ми всі знаємо, що тиск зменшується з висотою, але чи знаєте ви, чому?
2.3: Перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки розповідає нам, як враховувати енергію в будь-якій молекулярній системі, включаючи атмосферу. Як ми побачимо, поняття температури щільно пов'язане з поняттям енергії, а саме теплової енергії, але вони не однакові, оскільки існують інші форми енергії, якими можна обмінюватися тепловою енергією, наприклад механічна енергія або електрична енергія.
2.4: Чим вище температура, тим товщі шар
Розглянемо стовп повітря між двома поверхнями тиску. Якщо маса в колоні законсервована, то колонка з більшою середньою температурою буде менш щільною і займати більший обсяг і при цьому бути вище. Але тиск пов'язаний з вагою повітря над колоною і тому верхня поверхня тиску піднімається. Якщо температура колонки нижче, то притискна поверхня у верхній частині колони буде нижче.
2.5: Адіабатичні процеси - шлях найменшого опору
Поки що ми охопили процеси постійного об'єму (ізохорного) та постійного тиску (ізобарні). Існує третій процес, який дуже важливий в атмосфері - адіабатичний процес. Адіабатичний означає відсутність обміну енергією між повітряною посилкою та його середовищем: Q = 0.
2.6: Стабільність та плавучість
Ми знаємо, що повітряна посилка підніметься відносно навколишнього повітря при однаковому тиску, якщо щільність повітряної посилки буде меншою, ніж у навколишнього повітря. Різницю в щільності можна розрахувати за допомогою віртуальної температури, яка враховує різницю в питомій вологості в повітряній посилці і навколишньому повітрі, а також перепади температур.

Мініатюра: Балон постійного тиску залишається висотою протягом тижнів на висоті 100 000 футів, щоб прилади в прикріпленій гондолі могли проводити довгострокові вимірювання. Кредит: Національний науковий об'єкт повітряної кулі, Палестина, Техас