МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ.
Сибірський державний аерокосмічний університет ІМЕНІ АКАДЕМІКАМ.Ф. Решетньова.
Кафедрафізики.
Реферат
з дисципліни"Фізика"
На тему:
В«Основи фізики атмосфери. Термодинамічні процеси в сухому і вологомуповітрі. Термодинамічні процеси фазових переходів. РівнянняКлаузіуса-Клапейрона. Рівняння переносу водяної пари в атмосфері. Фізичніпроцеси утворення хмар Динамічні процеси а атмосфері В»
Виконав: студент 2-го курсу
групи ІУТ-61
Нечаєв А. С.
Перевірив:
Баринов Г. І.
Красноярськ 2007
Основи фізики атмосфери
Рівняння стану
Основним діючим на атмосферу зовнішнім чинником єСонце. Під впливом сонячного випромінювання відбуваються різноманітні процесипереносу енергії, тепла і речовини між різними областями атмосфери та іншимигеосферами. Атмосфера, в основному, заповнена повітрям і приблизний молекулярнийвага повітря, як добре відомо, дорівнює 29, що дещо більше молекулярноговаги основної компоненти повітря - азоту N2, рівного 28. Невелике перевищеннямолекулярної ваги повітря над молекулярною вагою азоту пов'язано з тим, щонаступна за обсягом компонента - кисень О2 має більшу молекулярну вагу -32.
Рівняння стану повітря з великою точністю описується рівняннямстану ідеального газу:
де обсяг V , маса повітря m, молекулярна маса Ој вимірюються в звичайних одиницяхсистеми СІ, R - універсальнагазова стала. Тиск Р традиційно вимірюється в барах, причому,бар виражається наступним чином через стандартні одиниці Н (ньютон) і Па(Одиниця тиску паскаль дорівнює силі в ньютонах, діленої на площу в м 2 ):
Часто використовується одиниця тиску атм (атмосфера), що дорівнює 1 кг/см 2 і близька до одному бару.
Тут доцільно нагадати деякі корисні для подальшого цифри.Часто виділяють так звані В«нормальні умовиВ»:
Вони являють собою деякі типові, В«нормальніВ»значення атмосферного тиску і температури 0 В° С, тобто приблизно 273 К. При цьомуобсяг одного моля ідеального газу становить 2,24 • 10 -2 м 3 ,або 22,4 літра.
Найчастіше у фізиці атмосфери використовується інша форма записурівняння стану, що містить щільність повітря р. Рівняння слідз (13.1), якщо поділити на обсяг праву частину. Нерідко використовується неуніверсальна газова стала R, агазова стала для повітря R a , нормована на молекулярну вагу повітря Ој:
де
Звідсищільність повітря при нормальних умовах дорівнює
Одним з найбільш істотних факторів, що визначають поведінкуатмосфери, є водяна пара - відомий усім газ Н2О з молекулярною масою18. Він присутній в порівняно невеликих кількостях в атмосфері, але ввідміну від інших компонент повітря з водяною парою при типових атмосфернихтемпературах відбуваються фазові переходи з виділенням і поглинанням тепла,тому його роль дуже значна. Рівняння стану повітря при облікуводяної пари змінюється.
Напишемо окремо рівняння стану для сухого повітря з парціальнимтиском Р а і рівняння стану для водяної пари, де епозначає так звану пружність водяної пари, або парціальний тискводяної пари:
Тут введена газова стала для водяної пари R w = = R / p w . Рівняння стану для суміші сухого повітря іводяної пари буде дещо відрізнятися від рівняння стану для сухогоповітря. Сумарна щільність суміші р дорівнює щільності сухого повітря р а плюс щільність води p w :
Враховуючи,що
отримаємо вираз для щільності:
дещільності повітря і водяної пари виражені через відповідні рівняннястану, при цьому парціальний тиск сухого повітря замінено на різницютисків вологого повітря (суміші) і пара, оскільки тиск парів плюстиск сухого повітря є сумарний тиск суміші. Після тотожнихперетворень отримаємо формулу
Оскільки парціальний тиск водяної пари, як правило, не перевищує30-50 мбар, воно мало в порівнянні з тиском
повітря (~ 1 бар). Враховуючи малість відносини - <С 1, можна переписатирівняння стан вологого повітря у вигляді
Порівнюючи (13.2) і (13.3), неважко бачити, що присутністьводяної пари дає лише невелику поправку до рівняння стану, якуможна інтерпретувати як зсув температури. Іноді вводиться так званавіртуальна температура, тобто для повітря з водяною парою можна замінитирівняння стану (13.3) співвідношенням виду (13.2) з іншого - віртуальноїтемпературою. Іншими словами, це температура сухого повітря, що має таке жтиск як вологе повітря. Віртуальна температура буде дещо більше,тому що молекулярна вага пара менше. Якщо відбувається додавання пара ззаміщенням молекул повітря, то суміш стає легше і щільність падає. А длятого щоб сухе повітря мав таку ж щільність, потрібно підняти його температуру,тоді його щільність зменшиться. Як згадувалося вище, тиск водяної париневелика, тому в ряді завдань без фазових переходів впливом водяної пари нарівняння стану можна знехтувати.
Перехід фазовий (ф.з.) - термодинамічний процес переходу речовиниз однієї фази в іншу;
першийроду - фазовийперехід, при якому перетерплюють скачки перші похідні від хімічногопотенціалу ( S і V );
другуроду - фазовийперехід, при якому перші похідні від хімічного потенціалу неперервні,але зазнають скачки його другі похідні ( c P ,, T );
монотропний - односторонній ф.з., при якомуперехід від високотемпературної модифікації до низькотемпературної неможливий,тоді як зворотний процес здійснюється і протікає тим швидше, чим вищетемпература;
енантіотропний - взаємні перетворення двохкристалічних модифікацій, які можуть мимовільно протікати як впрямому так і в зворотному напрямках в залежності від умов.
Правилофаз Гіббса - врівноважної термодинамічній системі , на яку з зовнішніх факторівроблять вплив тільки 2 фактори - температура і тиск (відповідаютьдоданку "2" в ур-нді), число ступенів свободи (C) дорівнює числунезалежних компонентів (K) мінус число фаз (Ф) плюс два: С = К - Ф + 2. ЯкщоФ = 0, система інваріантна, Ф = 1 - моноваріантна,Ф = 2 - біваріантна і т.д.
РівнянняКлапейрона-Клаузіуса для фазових перетворень
рівновагу"Кристал" рідина ":
рівновагу"Рідина" пар ":,
якщонасичена пара підкоряється ур-нію стану ідеального газу , то
при випаровуванні;, При сублімації;.
Вінтегральному вигляді
Термодинамічні процеси в атмосфері
В атмосферівідбуваються різні термодинамічні процеси, зокрема, ізотермічні,адіабатичні і інші знайомі по курсу молекулярної фізики процеси. Восновному атмосфера неізотермічних, наприклад, в тропосфері температура змінюється звисотою досить сильно, приблизно на 6,5 В° С на км. Але в областях тропопаузи,стратопаузой, мезопаузи в деяких діапазонах висот її наближено можнавважати изотермичности.
Як відомо, розподіл тиску і щільності в ізотермічної атмосферівизначається формулою Больцмана. Різниця тисків у шаруватої і статичноюатмосфері обумовлена ​​вагою виділеного об'єму повітря:
Вісь z направлена ​​вгору. Якщо замінити р виразом,отриманим з рівняння стану (13.2), то отримаємо рівняння
звідкипісля інтегрування слід формула Больцмана
де - так звана висотаоднорідної атмосфери.
У відповідності з формулою Больцма...
