《大气热力学》PPT课件(I)

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1、第六章大气热力学基础1第一节热力学基本方程一、预备知识二、热力学第一定律三、热流量方程2一、预备知识1、开放系和封闭系1)系统与外界:‘系统’即指所研究的给定质量和成分的任何物质,而其余与这个系统可能发生相互作用的物质环境称之为‘外界’或‘环境’。3系统与外界间互相影响方式:作功、热传递、交换质量三种方式2)大气热力学中所讨论的系统主要有两类:a)未饱和湿空气系统。可当作由干空气和水汽组成的二元单相系。b)含液态水(或固态水)的饱和湿空气系统。是指由水滴或(和)固态水质粒组成的云雾系统,是含有干空气和水物质的二元多相系。43)开放系与封闭系依据系统与外界是否交换物质分为开放系和封闭

2、系2、准静态过程和准静力条件1)准静态过程一个封闭系统若其经历的某过程进行得无限缓慢,以至于系统在此过程中的每一步都处于平衡态,则称此过程为准静态过程52)准静力条件:P代表系统内部压强,Pe代表外界压强3、气块(微团)模型1)定义:是指宏观上足够小而微观上又大到含有大量分子的封闭空气团,其内部可包含水汽、液态水或固态水。62)规定(使用气模型时的约定)a)此气块内T、P、湿度等都呈均匀分布,各物理量服从热力学定律和状态方程。b)气块运动时是绝热的,遵从准静力条件,环境大气处于静力平衡状态。73)缺陷a)气块是封闭系统的假定不合实际情况b)环境大气静力平衡的假定实际上未考虑气块移动

3、造成的环境大气的运动,与实际不符。8二、热力学第一定律1、无限小过程中热力学第一定律的表达式设某系统(质量为1)经历一个无限小过程,内能改变量为du:正号表示系统内能增加;从外界吸热dQ:正号表示系统从外界吸热;外界作功dA:正号表示外界对系统作功9三、热流量方程常温常压下空气块可看作理想气体,对于单位质量的空气块,根据焦耳内能定律,有式中dU代表在无限靠近的初、终两态内能值的微量差。由于热量Q和功A并不是态函数,只是与过程有关的无限小量,故用δQ和δA表示,以和态函数的微量差相区别。10假设仅考虑体胀功,有负号表示dV与δA符号相反,系统膨胀时,dV0,外界作负功。又气块满足准

4、静力条件,即负号表示δV与δA符号相反,系统膨胀时,dV0,外界作负功。热力学第一定律的表示式:11常温常压下的大气可以看成是理想气体,内能仅是温度T的函数。对于单位质量的湿空气系统,第一定律就成为cV是湿空气的比定容热容,为比体积,Q为单位质量空气的热量。12由于空气体积不是直接测量的气象要素,上式不便应用。根据湿空气状态方程,以及比定容热容cp和比定容热容cV的关系利用可得到13第二节 态函数和克拉柏龙-克劳修斯方程一、态函数对于P-V系统态函数包括温度、内能、熵、焓、吉布斯函数、自由能等141、熵态函数熵S的定义为其中,(dQ)R表示无穷小可逆过程中,系统所吸收的热量(x0

5、)和(x)是系统给定的两个平衡态,积分路线沿(x0)到(x)的任意可逆过程进行,S0是初态时的熵,S是终态时的熵。上式表示两平衡态的熵之差与积分路径无关,只由初、终两个平衡态确定无穷小可逆过程中,152、焓1)定义2)物理意义:在等压过程中,系统焓的增量值等于它所吸收的热量。3)定压比热cp163、吉布斯函数1)定义2)吉布斯函数判据:把热力学第一、二定律一并考虑,可得判据若过程是等温、等压的,则有可用来判定自发化学反应进行的方向174.单相系熵和焓熵和焓都是广延量,总熵和总焓与系统的质量或摩尔数成正比。对于某种物质质量为m的单相系,有总熵S=ms及总焓H=mh,其中s和h是单位质

6、量的焓和熵,分别称为比熵和比焓。比熵和比焓的计算通常以p、T为自变量,因此将它们写成以下的全微分形式,18二、相变潜热与比焓有一系统质量为1,假设相变过程中由1相变化到同温同压的2相,根据热力学第一定律,所吸收的热量,即相变潜热L应等于比内能的增量加上系统对外所做的功,即所以在定温定压的封闭系中,相变潜热可由比焓的变化来度量19三、克拉柏龙-克劳修斯方程1mol(或1g)物质的吉布斯函数通常称为化学势,用μ来表示根据热力学理论,当水和水汽两相平衡时,必须满足热平衡条件、力学平衡条件和相变平衡条件:20下面将利用相平衡曲线上两相化学势相等的性质来推导克拉柏龙-克劳修斯方程,当沿着相平

7、衡曲线由(T,p)变到(T+dT,p+dp)时,两相的化学势变化应相等,即21即应用化学势的定义式(6.1.35),由相变平衡条件,可得22于是有——(6.1.39)代入(6.1.38)中,有上式给出了相平衡曲线的斜率,下标1和2分别代表水和水汽。因为讨论的是水的相变,液态水的比容和水汽的比容相比较可以忽略,有1<<2,所以上式可简化成23它是由Clapeyron首先得到,并由Clausius用热力学理论导出的,所以叫克拉珀龙-克劳修斯(Clapeyron-Cla

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