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时间:2019-05-07
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1、大气物理学刘玉芝兰州大学大气科学学院第六章大气热力学基础6.1热力学基本规律问题:地气系统净收入辐射能量的去向?感热、潜热系统外界环境大气热力学中讨论的系统未饱和湿空气,指通常的大气,是二元单相系含液态水(或冰)的饱和湿空气系统,由水滴或冰晶组成的云和雾。二元多相系。概念大气中发生变化的那部分空气看作封闭系的假定准静态过程核准静力条件气块(微团)模型的规定一、热力学第一定律由于是封闭系统用于研究大气的热力学第一定律形式广延量与强度量广延量(ExtensiveQuantity)强度量(IntensiveQuantity)与系统的大小
2、(空间的范围或自由度的数目)成正比的热力学量。如:系统的质量M,摩尔数n,体积V,内能U,等等。不随系统大小改变的热力学量。例如:系统的压强p,温度T,密度ρ,磁化强度m,摩尔体积v,等等。1、热力学第二定律的表述2、热力学第二定律的实质指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程,它们有一定的自发进行的方向。不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化。(或:第二类永动机是不可能造成的。)克劳修斯(Clausius)说法:开尔文(Kelvin)说法:二、热力
3、学第二定律和态函数熵1.熵(entropy)或熵是一个态函数,其单位是J/K,它是广延量。熵增加原理1.热力学第二定律的数学表达式或2.熵增加原理如果是绝热过程,则有:经绝热过程后,系统的熵永不减少,经可逆绝热过程后熵不变,经不可逆绝热过程后熵增加。——熵增加原理焓吉布斯函数G=U–TS+pV1.吉布斯函数定义式在等温等压过程中,除体积变化的功以外,系统对外界所做的功不大于系统吉布斯函数的减少。或者说,系统吉布斯函数的减少是在等温等压过程中,除体积变化的功外,外界从系统所能获得的最大功。——最大功定理在等温等压过程中,系统的吉布斯函
4、数永不增加。也就是说,在等温等压条件下,系统中发生的不可逆过程总是朝着吉布斯函数减少的方向进行的。若系统的体积不变,即W1=0,则有:热力学函数U,H,F,G的全微分热力学基本微分方程:dU=TdS–pdV由H=U+pV、F=U–TS和G=H–TS易得:dH=TdS+VdpdF=–SdT–pdVdG=–SdT+Vdp麦克斯韦关系式由U=U(S,V),得:dU=TdS–pdV同理:比较可得:&麦克斯韦(Maxwell)关系由于U,H,F,G均为状态函数,它们的微分必定满足全微分条件,即:以上四式就是著名的麦克斯韦关系(简称为麦氏关系)
5、。它们在热力学中应用极其广泛。单相系的熵和焓推导过程未饱和湿空气的态函数含液态水的饱和湿空气系统相变潜热克拉珀龙-克劳修斯方程基尔霍夫方程饱和湿空气系统在绝热过程中含液态水的饱和湿空气的比焓大气中的能量(1)内能单位质量空气的内能:单位截面气柱内空气的总内能:(2)势能单位质量空气的势能即为重力位势。单位截面气柱内空气的总内能:(3)动能(4)潜热能感热能湿焓静力能全势能单位质量干空气总能量单位质量时空气总能量
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