大气热力学ppt课件.ppt

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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

2、）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

3、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

4、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

5、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)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cp16

6、3、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

7、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.

8、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-Cl