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）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、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造成

3、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。又气块满足准静力

4、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)和(

5、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是单位质量的焓和

6、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，当沿着相平衡曲线由（

7、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-Cl