第四章大气热力学
八年级物理上册-第四章-第一节-从全球变暖谈起((知识点汇总+练习过关))
第四章物质的形态及其变化4.1从全球变暖谈起1、温度和温度计（1）物体的冷热程度叫温度，测量温度的仪器是温度计。
（2）常用温度计是根据液体的热胀冷缩性质制成的，里面的液体有汞（水银）、酒精、煤油等。
2、摄氏温标：（1）摄氏温标：单位是摄氏度，用符号“℃”表示。
把冰水混合物的温度规定为0℃，把一标准大气压下的沸水温度规定为100℃，在0℃和100℃之间分100等分，每一等分为1℃，读作1摄氏度。
3、温度计的使用方法：①使用前要观察量程和分度值；②温度计的玻璃泡要全部浸入被测液体中，不要碰到容器底或容器壁；③温度计玻璃泡浸入被测液体后要待示数稳定后再读数；④读数时玻璃泡要继续留在被测液体中，视线要与温度计内液面相平，如图所示中乙正确、甲和丙错误。
注：测量前先估计被测物体温度，再选取量程合适的温度计进行测量。
4、温度计读数：如图所示中甲的示数为18℃；乙的示数为-16℃。
5、体温计：①人体正常体温是36℃～37℃；②体温计的测量范围是35℃～42℃，分度值是0.1℃；③体温计玻璃泡上部有一段细而弯的缩口；④体温计可以离开人体读数；⑤使用前应先用力将水银甩回玻璃泡；⑥如图所示中体温计的示数为36.8℃。
习题演练一、选择题1.估测是中学生必须掌握的一种技能。
下列数据中你认为不合理的是（）A.深圳全年平均气温为23℃B.教室中普通标准日光灯管长度约12dmC.中学生100m短跑的成绩约为9sD.成年人正常行走的速度为5km/h2.以下是小明对常见温度的认识，其中符合实际的是（）A.人的正常体温约为37.5℃B.一个大气压下的冰水混合物为0℃C.人感觉舒适的温度是40℃D.冬天，江阴市最低气温可达-30℃3.关于温度计的使用，阿甘的下列说法中，正确的是（）A.温度计在使用前都必须要将液体甩回玻璃泡B.量液体温度时，读数为求准确，应把温度计从液体中拿出来仔细观察C.体温计在使用后，应该在沸水中高温消毒后才能再次使用D.酒精的凝固点是-117.3℃,所以去南极考察可以用酒精温度计4.温度计是家庭生活中必不可少的物品。
大气热力学总结报告范文(3篇)
第1篇一、引言大气热力学是研究大气中能量转换、传输和平衡的学科，是大气科学的重要组成部分。
它涉及地球大气层的热力学过程，包括辐射、对流、湍流等能量传输方式，以及大气中的温度、湿度、气压等物理量的变化规律。
本报告将对大气热力学的基本概念、主要理论、研究方法及其在我国的应用进行总结。
二、大气热力学的基本概念1. 热力学第一定律：能量守恒定律，即能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
2. 热力学第二定律：熵增原理，即在一个孤立系统中，熵总是趋向于增加，系统总是向无序方向发展。
3. 热力学第三定律：绝对零度时，系统的熵达到最小值。
4. 状态方程：描述物质状态参量之间关系的方程，如理想气体状态方程、饱和水汽压状态方程等。
5. 能量平衡：描述能量在大气中转换、传输和平衡的方程，如能量平衡方程、辐射平衡方程等。
三、大气热力学的主要理论1. 辐射理论：研究太阳辐射、地面辐射、大气辐射等辐射过程，以及辐射在大气中的传输和吸收。
2. 对流理论：研究大气中热量、水汽和动量的垂直传输过程。
3. 湍流理论：研究大气中湍流运动对能量、水汽和动量传输的影响。
4. 大气稳定性理论：研究大气垂直运动的热力学条件，以及大气稳定性和对流性降水的关系。
5. 大气环流理论：研究大气环流的形成、演变和能量传输过程。
四、大气热力学的研究方法1. 数值模拟：利用计算机模拟大气运动和热力学过程，如数值天气预报、气候模拟等。
2. 实验研究：通过地面观测、卫星遥感、气球观测等手段，获取大气热力学数据。
3. 理论分析：利用热力学、动力学等理论，对大气热力学过程进行定量分析和解释。
4. 案例分析：通过具体案例分析，揭示大气热力学过程的特点和规律。
五、大气热力学在我国的应用1. 数值天气预报：利用大气热力学理论，建立数值预报模式，提高天气预报的准确性和时效性。
2. 气候变化研究：研究大气热力学过程对气候变化的影响，为制定应对气候变化的政策提供科学依据。
《热力学》理想气体的热力过程
p2 p1
v1 v2
n
T2 T1
v1 v2
n1
T2 T1
p2 p1
(n1) / n
n lnp2 lnp1 lnv2 ln v1
(2)利用已知或可求的与n有关的能量求解
2020年10月20日
第四章 理想气体的热力过程
28
例4-3（p80） 有一台空气压缩机，压缩前空气的温度为27 ℃、 压力为0.1 MPa，气缸的容积为5 000 cm3；压缩后空气的温度升 高到213 ℃。压缩过程消耗的功为1.166 kJ。试求压缩过程的多变 指数n。
15
（2）图表法 由
ds
cp0
dT T
Rg
dp p
对可逆绝热过程可得
ln
p2 p1
1 Rg
T2
T1
c
p
0
dT T
A:利用热力性质表中的标准状态熵
ln
p2 p1
1 Rg
T1
T0
c
p
0
dT T
c T2
T0
p0
dT T
1 Rg
s0 T2
s0 T1
T2 工质的热力性质表中还提供了u与h的数值。
2020年10月20日
第四章 理想气体的热力过程
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例4-2 (p76) 一台燃气轮机装置，从大气吸入温度为17 ℃、压 力为0.1 MPa的空气，然后在压气机中进行绝热压缩，使空气 的压力提高到0.9MPa。试求压气机消耗的轴功：(1)按定值比 热容计算；(2)按空气热力性质表计算。
思路：
定值比热容
2020年10月20日
第四章 理想气体的热力过程
14
变比热容分析
高一物理章节内容课件 第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
例五（4313）答案 B对 作业：3.8 3.9 3cle) 1．循环过程：
物质系统经历一系列的变化过程又回到
初始状态，这样的周而复始的变化过程称 为循环过程，或简称为循环。 2．热机(Heat Engine)
4、理想气体最重要的四个等值过程的功 ① 等温 T = 常数
② 绝热
③ 等压 P = 常数 ④ 等容 V = 常数
三、热量
1、特点：过程量 （不同的过程有不同的热 量表达式即有不同的摩尔热容量）
2、正负号规定：系统从外界吸热取正值，否 则取负值。
3、摩尔热容量C：一摩尔物质温度升高一K 时系统从外界吸收的热量。
（1）B点处的压强 （2）在此过程中气体对外作的功
例一（4694）图
例一（4694）解答 （1）等温线 斜率
绝热线
斜率
由题意有
（2）
例二（5078）一个可以自由滑动的绝热活塞 （不漏气）把体积为2V0的绝热容器分成 相等的两部分A、B， A、B中各盛有摩 尔数为的刚性分子理想气体，（分子 的自由度为i）温度均为T0。今用一外力 作用与活塞杆上，缓慢地将A中气体的 体积压缩为原体积的一半。忽略摩擦以
卡诺循环过程： （1）1→2，等温膨胀
吸收：
（2）2→3，工作物质和高温热源分开 是绝热膨胀过程，温度下降，对外做功
（3）3→4，物质和低温热源接触，等温压缩 过程，外界对气体做功，气体向低温热源放 热，其热量为：
（4）4→1，物质和低温热源分开，经一绝热 压缩过程回到原来状态，完成循环过程。
六、热力学第二定律 热力学第二定律：
工程热力学与传热学习题(英文版)：第四章 热力学第二定律
must be obtained or discarded into the river ?
3. Heat rejection by a refrigerator
The food compartment of a refrigerator, shown in Fig 4-2, is maintained at 4℃ by removing heat from it at a rate of 360 kJ/min. If the required power input to the refrigerator is 2 kW, determine (a) the coefficient of performance of the refrigerator and (b) the rate of heat rejection to the room that houses the refrigerator.
allowed process.
12. The concept of lost work
If 1000 kJ of energy is transferred from a work reservoir to a heat at 373K, determine (a) the amount of entropy generation and (b) amount of lost work with the environment at 300K.
The
power output of the heat engine is 180 kW. Determine the
reversible power and the irreversibility rate for this process.
大气物理学复习资料
大气物理学复习资料第一部分名词解释第一章大气概述1、干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干结大气，也称干空气。
2、气溶胶：大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。
3、气团：水平方向上物理属性比较均匀的巨大空气块。
4、气团变性：当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，在新的物理过程中获得新的性质。
5、锋：冷暖性质不同的两种气团相对运动时，在其交界面处出现一个气象要素（温度、湿度、风向、风速等）发生剧烈改变的过渡带称为锋。
6、冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动。
7、暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动。
8、准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动，有时冷气团占主导地位，有时暖气团占主导地位，使锋面处于来回摆动状态。
9、锢囚锋：当三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，可以产生两个锋面，前面是暖锋，后面是冷锋，如果冷锋移动速度快，追上前方的暖锋，或两条冷锋迎面相遇，并逐渐合并起来，使地面完全被冷气团所占据，原来的暖气团被迫抬离地面，锢囚到高空，这种由两条锋相遇合并所形成的锋称为锢囚锋。
10、气温垂直递减率：在垂直方向上每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升高而降低为正值。
11、气温T：表示空气冷热程度的物理量。
12、混合比r：一定体积空气中，所含水汽质量和干空气质量之比。
r=m v/m d13、比湿q：一定体积空气中，所含水汽质量与湿空气质量之比。
q=m v/(m v+m d)14、水汽压e：大气中水汽的分压强称为水气压。
15、饱和水汽压e s：某一温度下，空气中的水汽达到饱和时所具有的水汽压。
16、水汽密度（即绝对湿度）ρv：单位体积湿空气中含有的水汽质量。
17、相对湿度U w：在一定的温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度。
18、露点t d：湿空气中水汽含量和气压不变的条件下，气温降到对水面而言达到饱和时的温度。
热学第二版-秦允豪-第四章答案
第四章热力学第一定律(题号有所不同)5－1.0.020Kg的氦气温度由升为，若在升温过程中：（1）体积保持不变；（2）压强保持不变；（3）不与外界交换热量，试分别求出气体内能的改变，吸收的热量，外界对气体所作的功，设氦气可看作理想气体，且，解：理想气体内能是温度的单值函数，一过程中气体温度的改变相同，所以内能的改变也相同，为：热量和功因过程而异，分别求之如下：（1）等容过程：V=常量A＝0由热力学第一定律，（2）等压过程：由热力学第一定律，负号表示气体对外作功，（3）绝热过程Q＝0由热力学第一定律5－2.分别通过下列过程把标准状态下的0.014Kg氮气压缩为原体积的一半；（1）等温过程；（2）绝热过程；（3）等压过程，试分别求出在这些过程中气体内能的改变，传递的热量和外界对气体所作的功，设氮气可看作理想气体，且，解：把上述三过程分别表示在P-V图上，（1）等温过程理想气体内能是温度的单值函数，过程中温度不变，故由热一、负号表示系统向外界放热（2）绝热过程由或得由热力学第一定律另外，也可以由及先求得A（3）等压过程，有或而所以＝＝＝由热力学第一定律，也可以由求之另外，由计算结果可见，等压压缩过程，外界作功，系统放热，内能减少，数量关系为，系统放的热等于其内能的减少和外界作的功。
5－3 在标准状态下的0.016Kg的氧气，分别经过下列过程从外界吸收了80cal的热量。
（1）若为等温过程，求终态体积。
（2）若为等容过程，求终态压强。
（3）若为等压过程，求气体内能的变化。
设氧气可看作理想气体，且解：（1）等温过程则故（2）等容过程（3）等压过程5－4 为确定多方过程方程中的指数n，通常取为纵坐标，为横坐标作图。
试讨论在这种图中多方过程曲线的形状，并说明如何确定n。
解：将两边取对数或比较知在本题图中多方过程曲线的形状为一直线，如图所示。
直线的斜率为可由直线的斜率求n。
或即n可由两截距之比求出。
5－5 室温下一定量理想气体氧的体积为，压强为。
热学学 第四章 热力学第一定律.
植物，通过氧化把化学能转化为热和机械能。
16
亥姆霍兹 德国 物理学家（1821～1894） 《力之守恒》 化学、力学、电磁学、热学
17
• 2 内能
内能：在热学参考系下，所有分子的无规则运动的能量之和。
热学参考系：使系统宏观静止的参考系
用的能量，在过程中保持为常数，因此可以省略。
• 内能具体包含哪些能量---普遍
分子的动能(包括平动、转动、振动)
+分子内部的振动势能
+分子间的势能
18
---原子核内的能量，不能被运用，省略。 ---系统整体运动的能量，不是内能，排除。 (系统的整体平动、转动的动能) ---对于理想气体，分子间势能在任何过程中始终保持为常数， 可以省略。 • 例子：单原子分子理想气体的内能。 每个分子的动能之和。---热学坐标系。 • 例子：刚性双(多)原子分子理想气体的内能。 每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。 • 例子：非刚性双(多)原子分子理想气体的内能。 每个分子的平动动能之和，每个分子的转动动能之和。每个分 子的振动动能之和，每个分子的振动势能之和。 • 例子：前面的例子都为非理想气体时。 都要包含分子间的势能之和。
系统和外界在非功过程交换的能量，称为热量
注意：1）热量过程量。
2）系统和外界必须有温度差，才能交换热量。
3）系统和外界交换能量的方式只有两种：功，热量。
§4.3 热力学第一定律
本质：能量转化和守恒定律在热学系统的表现。
1 历史
14
焦耳(1818-1889),英国。 热功当量
w电＝I 2Rt＝JQ w重力＝JQ Q cmT
工程热力学理想气体
第四章 理想气体的性质第一节 理想气体的概念热能转变为机械能通常是借助于工质在热动力设备中的吸热、膨胀作功等状态变化过程而实现的。
为了分析研究和计算工质进行这些过程时的吸热量和作功量，除了以热力学第一定律为主要的基础和工具外，还需具备工质热力性质方面的知识。
热能转变为机械能只能通过工质膨胀作功实现，采用的工质应具有显著的涨缩能力,即其体积随温度、压力能有较大的变化。
物质的三态中只有气态具有这一特性，因而热机工质一般采用气态物质，且视其距液态的远近又分为气体和蒸气。
气态物质的分子持续不断地做无规则的热运动，分子数目又如此的巨大，因而运动在任何一个方向上都没有显著的优势，宏观上表现为各向同性，压力各处各向相同，密度一致。
自然界中的气体分子本身有一定的体积，分子相互间存在作用力，分子在两次碰撞之间进行的是非直线运动，很难精确描述和确定其复杂的运动，为了方便分析、简化计算,引出了理想气体的概念。
理想气体是一种实际上不存在的假想气体，其分子是些弹性的、不具体积的质点，分子间相互没有作用力。
在这两点假设条件下，气体分子的运动规律极大地简化了，分子两次碰撞之间为直线运动，且弹性碰撞无动能损失。
对此简化了的物理模型，不但可定性地分析气体某些热力学现象，而且可定量地导出状态参数间存在的简单函数关系。
众所周知，高温、低压的气体密度小、比体积大,若大到分子本身体积远小于其活动空间，分子间平均距离远到作用力极其微弱的状态就很接近理想气体。
因此，理想气体是气体压力趋近于零(p →0)、比体积趋近于无穷大(v →∞)时的极限状态。
一般来说，氩、氖、氦、氢、氧、氮、一氧化碳等临界温度低(参见附表2)的单原子或双原子气体，在温度不太低、压力不太高时均远离液态，接近理想气体假设条件。
因而，工程中常用的氧气、氮气、氢气、一氧化碳等及其混合空气、燃气、烟气等工质,在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理，误差一般都在工程计算允许的精度范围之内。
大气热力学
（3）在静力平衡情况下，任意高度z处的气压， 等于该高度单位位截面上所承受的铅直气柱的 重量，这就是气压的静力学意义。即
P gdz
z
A、若海平面（z=0）处气压为p，则由上式 得到：
p0 gdz
0
B、任意单位截面上下界的气压差（p-p）等 于该气层的重量
p1 p2
dp p2 p1 gdz, p2 p1 gdz
PV nR T
*
(3.6)
R P T RT (3.2) M
*
R*：universal gas constant(通用气体常数或 普适气体常数）
R* R m: mass M M: gram-molecular weight, unit: kg/mol n : mole
: density, unit: kg/m3
均质大气的重要特征：
（1）P随Z呈线性递减； （2）T随Z呈线性递减，直减率 r=3.42/100m,是空气产生自动对流的 一个临界值，r可作为判据； （3）随Z不变。 （4）气层上限高度H仅是地面T的函数。
2.isothermal atmosphere(等温大气）
1、概念：气温不随高度变化（ γ =0,即T=常数)的 大气称为等温大气
g Rd
（2.13）
(2.13)多元大气的压高公式。将上式稍加整理得
p z z 0 [1 ( ) p0
多元大气上界高度 由（2.14）知，当 Z
Z
0
T0
A
பைடு நூலகம்
]
(2.14)
0 时，大气上界为
T0
多元大气与等温大气、均质大气的关系
工程热力学习题答案第四章-
第四章4-1 1kg 空气在可逆多变过程中吸热40kJ ，其容积增大为1102v v =，压力降低为8/12p p =，设比热为定值，求过程中内能的变化、膨胀功、轴功以及焓和熵的变化。
解：热力系是1kg 空气 过程特征：多变过程)10/1ln()8/1ln()2/1ln()1/2ln(==v v p p n ＝0.9 因为T c q n ∆=内能变化为R c v 25=＝717.5)/(K kg J ∙ v p c R c 5727==＝1004.5)/(K kg J ∙=n c ==--v vc n kn c 51＝3587.5)/(K kg J ∙ n v v c qc T c u /=∆=∆＝8×103J膨胀功：u q w ∆-=＝32 ×103J 轴功：==nw w s 28.8 ×103J焓变：u k T c h p ∆=∆=∆＝1.4×8＝11.2 ×103J熵变：12ln 12ln p p c v v c s v p +=∆＝0.82×103)/(K kg J ∙ 4－2有1kg 空气、初始状态为MPa p 5.01=，1501=t ℃，进行下列过程：（1）可逆绝热膨胀到MPa p 1.02=；（2）不可逆绝热膨胀到MPa p 1.02=，K T 3002=； （3）可逆等温膨胀到MPa p 1.02=；（4）可逆多变膨胀到MPa p 1.02=，多变指数2=n ；试求上述各过程中的膨胀功及熵的变化，并将各过程的相对位置画在同一张v p -图和s T -图上解：热力系1kg 空气（1） 膨胀功：])12(1[111kk p p k RT w ---=＝111.9×103J熵变为0（2）)21(T T c u w v -=∆-=＝88.3×103J12ln12lnp p R T T c s p -=∆＝116.8)/(K kg J ∙ （3）21ln1p p RT w =＝195.4×103)/(K kg J ∙ 21lnp p R s =∆＝0.462×103)/(K kg J ∙ （4）])12(1[111nn p p n RT w ---=＝67.1×103Jnn p p T T 1)12(12-=＝189.2K12ln 12lnp p R T T c s p -=∆＝－346.4)/(K kg J ∙4-3 具有1kmol 空气的闭口系统，其初始容积为1m 3，终态容积为10 m 3，当初态和终态温度均100℃时，试计算该闭口系统对外所作的功及熵的变化。
大学物理第三章热力学第一定律第四章热力学第二定律
B C AD
氮气 氦气
35
B C AD
氮气 氦气
解： 取（A+B）两部分的气体为研究系统， 在外界压缩A部分气体、作功为A的过程 中，系统与外界交换的热量 Q 0
Q E ( A) 0
36
B
氮气
C
AD
氦气
系统内能的变化为
E E A E B
5 E B RTB 2
内能：态函数,系统每个状态都对应着一定内能的数值。 功、热量：只有在状态变化过程中才有意义，状态不 变，无功、热可言。
9
五、热力学第一定律
1. 数学表式 ★ 积分形式 ★ 微分形式
Q E A
dQ dE dA
10
2. 热力学第一定律的物理意义 （1）外界对系统所传递的热量 Q , 一部分用于 系统对外作功，一部分使系统内能增加。 （2）热一律是包括热现象在内的能量转换和守恒 定律。
m i E RT M2
m i i m E RT R T末 T初） （ M2 2M
i dE RdT 2
8
注意 ：
10 作功和传热对改变系统的内能效果是一样的。 （要提高一杯水的温度，可加热，也可搅拌）
20 国际单位制中，功、热、内能单位都是焦耳（J）。 （1卡 = 4.18 焦耳) 30 功和热量都是系统内能变化的量度,但功和热本身不 是内能。
绝热线
斜 率
PV C1
dP K 绝热 dV
P V
26
K 绝热 同一点 P0，V0，T0 斜率之比 （ ） K 等温
P0 K绝热 V0 P0 K等温 V0
P
a
等温
结论：绝热线比等温线陡峭
热学_热力学第一定律
3、理想气体在几种等值过程中功的计算 前提：理想气体的无摩擦准静态过程。 等温过程：
W =∫
V2
V1
V2 dV = νRT ln pdV = νRT ∫ V1 V V1
V2
气体膨胀时， d V > 0
d W > 0 系统对外界作功。
p p2 C
等 温
Q P1V1 = P2V2
A
P1 W = νRT ln P2
1)对过程 adb
0 a d V
Qadb = ΔU &#
2)对过程 ba
Qba = ( U a − U b ) + W2 = −105 − 42 = −147 J
放热
§4.4 一、定体热容与内能
热容量与焓
p b d c a T 0 V e T+dT
等体过程a—b, ΔV=0，W=0
宏观位移 转 换 分子间作用 传 递
1卡 = 4.18 焦耳 系统内能 系统内能
外界机械能 外界内能
§4.3 内能 热力学第一定律 一、内能 1. 定义： 微观上：热力学系统内部的能量。 包括所有分子热运动动能EK与分子间的势能EP
U = Uk + U p
U = U ( T ,V )
宏观上：系统内能的增量等于绝热过程中外界对 系统作的功。——内能定理
△U > 0 ，系统内能增加。△U < 0，系统内能减少。
2）热力学第一定律的另一种表述： 第一类永动机是不可能制成的。 第一类永动机：不需要任何动力 和燃料，却能对外作功的机器。
3） Q = Δ U + W , dQ = dU + dA 适用于任何系统的任何过程
对微小准静态过程： d Q = d U + p d V 对有限准静态过程： Q = Δ U + pdV V1 i 而 Δ U = ν R Δ T 只适用于理想气体。 2 4）热力学第一定律是大量实验的结果，具有普遍性。 5）实质是包含热能在内的能量转化与守恒定律。
大气物理学笔记
大气物理学笔记一、大气的组成与结构。
1. 大气组成。
- 干洁大气：主要由氮气（约占78%）、氧气（约占21%）、氩气（约占0.93%）等组成。
这些气体在大气中的比例相对稳定，对大气的物理和化学性质有着重要影响。
- 水汽：是大气中含量变化最大的成分，其含量在0 - 4%之间。
水汽是天气现象形成的重要因素，如云、雨、雾等的形成都离不开水汽。
- 气溶胶：包括固体和液体微粒，如灰尘、烟雾、海盐等。
气溶胶对太阳辐射有散射和吸收作用，还可以作为云凝结核影响云的形成和降水过程。
2. 大气结构。
- 对流层。
- 高度：低纬度地区平均为17 - 18千米，中纬度地区平均为10 - 12千米，高纬度地区平均为8 - 9千米。
- 特点：气温随高度递减，平均递减率约为6.5℃/千米；空气具有强烈的对流运动，这是由于地面受热不均引起的；集中了大气质量的约3/4和几乎全部的水汽和杂质，天气现象复杂多变。
- 平流层。
- 高度：从对流层顶到约50千米的高度。
- 特点：气温随高度增加而升高，这是因为平流层中有臭氧层，臭氧吸收太阳紫外线辐射而使气温升高；空气以平流运动为主，气流平稳，有利于飞机飞行。
- 中间层。
- 高度：从平流层顶到约85千米的高度。
- 特点：气温随高度递减，再次出现随高度降低的情况；空气具有强烈的垂直对流运动。
- 热层。
- 高度：从中间层顶到约500千米的高度。
- 特点：气温随高度迅速增加，这是由于该层中的原子氧吸收太阳短波辐射而使气温升高；该层空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电子，也被称为电离层，对无线电通信有重要影响。
- 散逸层。
- 高度：500千米以上。
- 特点：大气极其稀薄，分子间距离很大，一些高速运动的粒子可以挣脱地球引力的束缚而散逸到宇宙空间。
二、大气静力学。
1. 大气压力。
- 定义：大气对单位面积表面的压力。
其单位为帕斯卡（Pa），1标准大气压 = 1013.25 hPa。
- 垂直分布：大气压力随高度增加而减小，在近地面大气压力较大，随着高度升高，大气柱的质量减小，压力也随之降低。
第四章热力学第一定律
转化为热量Q向外释放； 若：dV 0, 等温膨胀，气体对外所做功 PdV > 0，
来源于自外界吸收的热量Q。
V2
W PdV
V1
V2
因而准静态过程的吸热情况为： Q W PdV
V1
理气等温过程内能不变： dU=0
Q
W
V2
PdV
V1
T2
RT
T1
dV V
RT lnV2
V1
RT ln P1
T1
T1
T1
T1
T2
T2
T2
( C p,m R)dT (CP,m R)dT CV ,mdT
T1
T1
T1
三、等温过程：
P
T=常量，dT=0 的过程
理气等温过程内能不变： dU=0 o
U2 U1 0 Q W
T1 T2 V
若：dV 0, 等温压缩，外界对气体所做功 -PdV > 0，
打开活塞阀门，使气体膨胀到B中。 此过程外界没有对气体做功，气体也没有对外界做功，因 而这是不受阻碍的自由膨胀，有：
W外气= W’气外=0 ΔW 0 当气体自由膨胀并与水达平衡后用温度计测量水温。
实验表明： ΔT 0
ΔQ 0 绝热自由膨胀过程
ΔU ΔQ ΔW 0
即：自由绝热膨胀中恒有：
CP,m
CV ,m
dQP ,m dT
dQV ,m dT
R
dQP,m dQV ,m RdT
例：如图，同种单原子理想气体放在同 一容器的两个部分，抽去中间隔板 使之均匀混合。求：混合后的温度 和压强。
解：绝热： ΔQ 0
混合前后： ΔV 0 ΔW 0
绝热壁
P1 V1 T1
(精品)第四章大气的热力学过程
作用引起的：
❖ 一种是由气压变化引起的，例如上升时气压减小，dp 0 ， 这使得温度降低；
❖ 另一种作用是由水汽凝结时释放潜热引起的，上升时水汽凝
结，dqs 0，造成温度升高。因此，凝结作用可抵消一部分
由于气压降低而引起的温度降低。有水汽凝结时，空气上升 所引起的降温比没有水汽凝结时要缓慢
❖ 2、湿绝热直减率
❖ 因为
R 0.287 J /(g K )
0.286
C p 1.005 J /(g K )
❖则
T ( p )0.286 T 0 p0
❖ 上式是干绝热方程，亦称泊松（Poisson）方程
❖ 泊松（Poisson）方程
T ( p )0.286 T 0 p0
❖ 从方程中可以看出，在干绝热过程中，气块温度的变 化唯一地决定于气压的变化，当气压降低时，温度也 下降，反之亦然。
❖ 2、干绝热方程
❖ 对于干空气和未饱和湿空气，当系统是绝热变化时 dQ 0 ， 其状态的变化即向外作功是要靠系统内能转化，温度的改
变完全由环境气压的改变决定：
C pdT
RT
dp p
0
d T RT d p cp p
❖ 即：将气体的压力变化和温度变化联系起来
❖ 在大气中，气压变化主要由空气块的位移引起。
❖ 由于 dqs dz
是气压和温度的函数，所以 m
不是常数，
而是气压和温度的函数 ,下表给出 m 在不同温度和气
压下的值
湿绝热直减率（℃/100m）
❖ 由表可见， m随温度升高和气压减小而减小。
❖ 这是因为气温高时，饱和空气的水汽含量大，每降温 1℃，水汽的凝结量比气温低时多。例如，温度从20℃ 降低到19℃时，每立方米的饱和空气中有1g的水汽凝 结；而温度从0℃降到-1℃时，每立方米的饱和空气中 只有0.33g的水汽凝结。
工程热力学第四章_热力学第二定律
五 热力过程熵变化分析
3 熵的性质
1）熵是状态参数，与变化过程的性质无关。 ）熵是状态参数，与变化过程的性质无关。 2）可逆过程中熵的变化量说明了系统与热源间热 ） 交换的方向。 交换的方向。 3）Siso ≥ 0 ，表明孤立系统内各物质熵的总和 ） 可以增大，或保持不变，但绝不能减小。 可以增大，或保持不变，但绝不能减小。 4）任一过程熵变化都是由熵流和熵产组成。 ）任一过程熵变化都是由熵流和熵产组成。 5）对任一热力过程，系统的熵变量也可表示为 ）对任一热力过程， δq s ≥ ∫ 其中等号适用于可逆过程， T ，其中等号适用于可逆过程，不等号适 用于不可逆过程
2）热量火用 ） 热量火用为热源放出的热量中可转化为功的最大 值。
T0 e ， = ∫ (1 )δq ｘq T
T不变
T0 e ， = 1 q ｘq T
热量火用与工质火用的区别在于要获 得热量火用必须完成循环作功。 得热量火用必须完成循环作功。
六 火用和火用损失
1 工质火用、热量火用和火用损 工质火用、
3）不可逆性与火用损 ） 由于不可逆性引起的做功量的减少，称为火用损， 由于不可逆性引起的做功量的减少，称为火用损， 以eI表示
ｅ = wt max wt = T0 sis ｌ
七 热力学第二定律的应用
1 热力学第二定律的应用
1）熵分析法 ） 熵分析法的主要内容就是通过对体系的熵平衡计 求取熵产的大小及其分布， 算，求取熵产的大小及其分布，分析影响熵产的 因素，确定熵产与不可逆损失的关系， 因素，确定熵产与不可逆损失的关系，作为评价 过程的不完善性与改进过程的依据。 过程的不完善性与改进过程的依据。 缺点：首先无法用它来评估能量流的使用价值； 缺点：首先无法用它来评估能量流的使用价值； 其次熵的概念比较抽象， 其次熵的概念比较抽象，其物理意义是表征由有 序到无序的转变度，本身并不是一种能量。 序到无序的转变度，本身并不是一种能量。
大气的热力学总熵
大气的热力学总熵1张学文马力(新疆气象科学研究所，乌鲁木齐，830002)提要在考虑了大气各化学成分的熵、扩散引起的熵增加和位温在大气中的分布以后，求得全球大气总熵为3.56x1022J/K．本文给出从位温求熵的新公式，还发现不同位温占有的大气质量遵守概率论中的Gamma分布．本文还就热力学熵与信息熵的关系作了有启发意义的讨论．关键词：熵；位温；大气热力学．一、引言地球大气共有多少物质?有多少能量?至今这类问题已经基本弄清楚了．那么大气有多少熵呢?这是近年才提出的问题．在天气学中我们对与熵密切相关的位温是早有研究了．可是把围绕全球的大气作为一个热力学系统看待，并进行相应的熵的收支平衡分析，则仅是在近10年才有所开展[1、2] .我们认为分析大气熵的总量、主要形态、收支平衡等方面的问题对认识大气演化与维持是至关重要的．它连同熵原理一起，有望使我们对大气环流与演化有新的认识．本文的中心工作是计算全球大气热力学熵的总量．这犹如过去设法计算大气的质量是多少、能量是多少那样，都是大气研究的基本工作．本文包括如下4个主要问题：·标准状态下一克空气的热力学熵；·任意位温下一克空气的热力学熵的新计算公式；·平均状态下大气中不同位温的大气质量各有多少·用以上数据算出全球大气的热力学总熵．二、标准状态的空气熵化学中把一个大气压(1013hPa)25℃的热力条件称为标准状态．这时1克分子11990年5月29日收到，1991年2月收到再改稿，自然科学基金会项目(1mol)某种化学物质的熵值是可以从有关手册、书籍中查到的．大气中的主要化学成分为氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）、水汽（H2O）。
现将查得[3、4]的有关克分子熵（摩尔熵）的数据统一列于表1中。
表1 计算1克空气熵的有关数据项目单位氮（N2）氧O2）氩（Ar）水汽（H2O）合计注1摩尔熵J/mol. k 191.5 205.1 154.7 188.72分子量28.0 32.0 39.9 18.03含量g 0.753 0.231 0.013 0.003 1.0004摩尔数mol 0.02689 0.00722 0.00033 0.00002 0.03460 (3)/(2)5绝对熵J/K 5.1500 1.4806 0.0504 0.0315 6.7124 (1)×(4)6信息熵nat * 0.1959 0.3270 0.0443 0.0043 0.5716*依（3）式计算时对数的底为自然数e，信息论中把这样算得的熵称为nat（纳特）表1的第1行显示大气中几种成分在标准状态下的摩尔熵界于205．1(02)一154．7 (Ar)J／mol·K之间．第二、三行分别列出对应的分子量和1克空气中的含量2．把第3行的数据分别以对应的分子量(第2行)除，则得1克空气中对应成分的摩尔数(第4行)．以摩尔数乘摩尔熵[表中(4)X(1)]，即得第5行．它表示1克空气中各种化学成分对应的熵值．其合计值为6.714J／K，它是标准状态下1克空气中各成分的熵的合计值．6.714J／K能否认为是标准状态下1克空气的熵呢?还不行．原因是当把几种纯化学成分从分离状态混合在一起时，系统内部的混乱程度加大了．熵是混乱程度的计量，所以把几种纯化学气体混合在一起时还引起了熵的加大．这就是热力学中讲的扩散过程引起的熵变化，它过去也曾作为吉卜斯佯谬来讨论．图1对这种混合过程作了说明．图1 4种气体混合后增加了熵(混乱度)(a)分隔开的4种空气成分，(b)4种气体混合成空气2水汽含量是以大气平均含水量为标准的依文献[5]，几种气体物质在同温、同压下混合在一起引起的附加熵S ∆为∑-=∆ii i x n R S ln (1)R 为通用气体常数、n i 为第i 种成分的摩尔数，而x i 是n i 与参与混合的全部气体的总 摩尔数)(∑=in n n 的比值(≤1)．对(1)式也可改写成⎪⎭⎫⎝⎛-⋅=∆∑i i i x x nR S ln (2)现在设想做一种理想实验：从混合好的空气中任取一个分子，那么取出的分子恰为第i 种成分的分子的概率q i 显然是n i /n ．即应为x i (依古典概率定义)．所以(2) 式又可写成⎪⎭⎫⎝⎛-⋅=∆∑i i i q q nR S ln (3)而上式括号中的式子对应于信息论中的信息熵[6]，换言之 信息熵）(⋅=∆nR S (4) (3)式中括号内各项的值已列于表1的第6行，并以信息熵称之．其合计为 0.5716nat ．取R=8.314J ／mol·K ，n =0.03460(表1第4行合计值，即1克空气的摩尔数)也代人(3)式得 J/K 1643.0=∆S ．这个S ∆应当与先前求得的表1中绝对熵的合计值(6.7124)相加，从而求得1克 空气在标准状态下(1013hPa ，25℃)的熵为6.8767J ／K ．三、任意状态下的空气熵如何从标准状态熵求出任意状态下的熵呢?位温与熵的关系式恰好可以用来解决此 问题。
第4章 热力学基础
绝热过程方程:
pV C1
TV
1
C2
C3
T p
1绝热过程
V T降低 p降低更多
p
A
C
V T不变 p降低
等温线、绝热线的斜率分别为：
B
O V
dp p V d V T dp p V dV Q
又因混合后的氮气与压强仍分别满足理想气 体状态方程，
由此得：
1 M1 p1 RT V1 ＋V2 M mol 1 1 M2 p RT 2 V1 ＋V2 M mol 2
两者相加即得混合气体的压强：
1 p V1 ＋V2
M1 M2 ＋ M mol 1 M mol 2
RT
解:打开活塞后，原在第一个容器中的氮气向第二个容器中 扩散，氩气则向第一个容器中扩散，直到两种气体都在两容 器中均匀分布为止。达到平衡后，氮气的压强变为p1'，氩气 的压强变为p2' ，混合气体的压强为p= p1' + p2' ；温度均为T 。在这个过程中，两种气体相互有能量交换，但由于容器是 绝热的，总体积未变，两种气体组成的系统与外界无能量交 换，总内能不变，所以
利用多方方程和状态方程：
dA PdV Rdt /(n 1)
已知
E1 ＋E2 ＝E1 ＋E2 0 M E1 Cv1 T T1 M mol1 M E2 Cv 2 T T2 M mol 2
代入式得：
M M Cv1 T T1 ＋ Cv 2 T T2 ＝ 0 M mol1 M mol 2
M1 M2 Cv1T1 ＋ Cv2 T2 M mol1 M mol 2 T M1 M2 Cv1 ＋ Cv2 M mol1 M mol 2
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dP P
干絕熱過程和位溫 泊松方程
T T0
Rd
P P0
Cp
P P0
0.288
干绝热温度的直减率
1。绝热直减率 气块绝热上升单位距离时温度的降低值。 2。推导：主要假设 A。周围大气满足静力学方程； B。气块在运动中与周围大气保持力学和
热力学平衡状态。
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空块的）温度的直减率
气象预报；污染物运移。
大气层结稳定度
• 大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或 远离原平衡位置的趋势和程度。
• 它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的 层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生 对流。假如有一团空气受到对流冲击力的作用， 产生了向上或向下的运动，那末就可能出现三种 情况：
大气层结稳定度
大气层结稳定度
• 空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温 最快的过程；
• 上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结， 这是大气中云、雾、雨、雪形成的最重要的 原因；
• 因此，判断大气中是否会产生云雾，主要就 是看大气中是否会产生上升运动；
• 判断空气是否会产生上升运动，就要看空气 在铅直方向上位置稳定的程度，即大气稳定 度。
假绝热过程和假相当温度
假绝热过程的特点：1。气块不再是 封闭体系；2。有物质质量交换；3。 有能量交换；4。有熵交换；。。。。 5。不再是可逆过程； 但是，这些交换量很小，可不考虑。 可近似地把这气块当作一个封闭体系。
假绝热过程和假相当温度
Z
B A
C D
X
假绝热过程和假相当温度
C D
假绝热过程和假相当位温
干绝热(上升空气块的）温度的直减率
d
dt dz
g Cp
0.98K /100m
大气实际的温度的直减率
T z
dt dz
d
干絕熱過程和位溫
位温θ 1。定义：就是一个给定的干空气块经过绝热
膨胀或压缩过程，当其压力为一个标准大 气压时所对应的温度。
2。
T(1000)0.286
P
干絕熱過程和位溫
湿绝热过程
大气层结稳定度
1、如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有 返回原来高度的趋势，这时的气层，对于 该空气团而言是稳定的(stable) ；
2、如空气团一离开原位就逐渐加速运动，并 有远离起始高度的趋势，这时的气层，对 于该空气团而言是不稳定的(unstable) ；
3、如空气团被推到某一高度后，既不加速也 不减速，这时的气层，对于该空气团而言 是中性气层(neutral) 。
是指相对于小尺度扰动的稳定度 4。扰动：动力的扰动因子；热力的扰动因子
举例说明
大气层结稳定度
5。局部气块垂直运动，或成层垂直运动。但不 是大尺度的运动，如大气环流的稳定性分析。
6。复杂系统的稳定性分析是数学的一个分支。 7。大气层结稳定性分析的判据：
温度，位温，不稳定能量等 8。大气层结稳定性分析的意义：
dQ == mCvdT + PdV
热力学第一定律在大气中的应用
(二）干空气的热力学第一定律
干空气的状态方程
PV = mRT
Thus, d（PV）= VdP + PdV = mRdT
PdV = mRdT -- VdP = mRdT -- （mRT/P)dP
and Cv + R = Cp , So, we have: dQ = mCpdT -- (mRT/P)dP dq == CpdT -- (RT/P)dP
假相当位温
se
A
EXP
(
Lq A CPTB
)
se
d
EXP
(
sLv CpdT
)
假绝热过程和假相当温度
焚风
大气层结稳定度
1。大气层结 Atmosphere Layer Structure Atmospheric Stratification 温度层结，湿度层结
2。大气层结由什么因素决定的 ？（对流层 ） 3。大气静力稳定度 == 大气层结温定度（Stability）
空气块
周围大气
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空气块的）温度的直减率 力学平衡 P=p；dP=dp；
dP g, dP gdZ dp dZ
绝热
dt Rt dp Rt gdZ
Cpp
Cpp
P RT
dt Rt P gdZ g t P dZ g dz
Cpp RT
Cp T p
Cp
干絕熱過程和位溫
气象学与气候学 Meteorology and Climatology
第四章 大气热力学
主讲：蔡绪贻
中国地质大学（北京）
热力学第一定律在大气中的应用
(一) 什么热力学第一定律 ? 热力学第一定律就是能量守恒定律在理想气
体中的应用。对某质量为m的大气块，其内 能的变化是由于它吸收外界的热量和反抗 外力所做的功所引起的。
• 凝结高度 • 湿绝热（上升或下降）过程 • 湿绝热（上升空气快）温度直减率
s
dT dz
d
L Cp
dqs dz
dqs d (0.622 es ) F(T, P)d来自 dzP湿绝热过程
作业：请推导出湿绝热过程露点温度直减率。
假绝热过程和假相当温度
假（拟）绝热过程（Pseudo adiabatic process ）： Saturation adiabatic process in which the condensed water particles are removed from the system. Such a process is represented in meteorology by the removal of precipitation from rising air.
热力学第一定律在大气中的应用
(三）飽和濕氣的熱力學第一定律 dQ—LdC == CpdT—(RT/P)dP
（四）非饱和湿气的热力学第一定律 作业：请推导出非饱和湿气的热力学
第一定律。
干絕熱過程和位溫
（一）概念 封闭体系与开放体系 环境和绝热过程
（二）干絕熱方程
CpdT
RT P
dP
dQ
0
dT T
R Cp
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
气块在受到扰动后上升z高度后自身产生的加速度取 决于气块受到的合力。
1 p g d
z
dt
p p,, p p, ,g z z
d 1 (,g) g g (, )
dt
,
p, RT ,
d dt
g
T
T, T,
T, T0 dz T T0 ddz