lzu大气物理学 1 热力学基本规律.ppt

大气物理学 第六章 大气热力学基础 6.1 热力学基本规律 问题：地气系统净收入辐射能量的去向？感热、潜热 大气热力学中讨论的系统 未饱和湿空气，指通常的大气，是二元单相系 含液态水（或冰）的饱和湿空气系统，由水滴或冰晶组成的云和雾。二元多相系。 概念 大气中发生变化的那部分空气看作封闭系的假定 准静态过程核准静力条件 气块（微团）模型的规定 一、热力学第一定律 用于研究大气的热力学第一定律形式 广延量与强度量 二、热力学第二定律和态函数 熵 熵增加原理 焓 吉布斯函数 麦克斯韦( Maxwell )关系 单相系的熵和焓 未饱和湿空气的态函数 含液态水的饱和湿空气系统 相变潜热 克拉珀龙-克劳修斯方程 基尔霍夫方程 饱和湿空气系统在绝热过程中 大气中的能量 （1）内能 （2）势能 感热能 湿焓 静力能 全势能 单位质量干空气总能量 单位质量时空气总能量 * * * * 刘玉芝 兰州大学大气科学学院 系统 外界环境 由于是封闭系统 广延量（Extensive Quantity） 强度量（Intensive Quantity） 与系统的大小（空间的范围或自由度的数目）成正比的热力学量。如：系统的质量M，摩尔数n，体积V，内能U, 等等。 不随系统大小改变的热力学量。例如：系统的压强p，温度T，密度ρ，磁化强度m，摩尔体积v，等等。 1、热力学第二定律的表述 2、热力学第二定律的实质 指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程，它们有一定的自发进行的方向。 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。 不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化。 （或：第二类永动机是不可能造成的。） 克劳修斯(Clausius)说法： 开尔文(Kelvin)说法： 1. 熵(entropy) 或 熵是一个态函数，其单位是 J / K，它是广延量。 1. 热力学第二定律的数学表达式 或 2. 熵增加原理 如果是绝热过程，则有： 经绝热过程后，系统的熵永不减少，经可逆绝热过程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加。—— 熵增加原理 G = U – TS + pV 1. 吉布斯函数定义式 在等温等压过程中，除体积变化的功以外，系统对外界所做的功不大于系统吉布斯函数的减少。或者说，系统吉布斯函数的减少是在等温等压过程中，除体积变化的功外，外界从系统所能获得的最大功。—— 最大功定理 在等温等压过程中，系统的吉布斯函数永不增加。也就是说，在等温等压条件下，系统中发生的不可逆过程总是朝着吉布斯函数减少的方向进行的。 若系统的体积不变，即W1 = 0，则有： 热力学函数U, H, F, G 的全微分 热力学基本微分方程： dU = TdS – pdV 由 H = U + pV、 F = U – TS 和 G = H – TS 易得： dH = TdS + Vdp dF = – SdT – pdV dG = – SdT + Vdp 麦克斯韦关系式 由U=U(S, V)，得： dU = TdS – pdV 同理： 比较 可得： 由于U, H, F, G均为状态函数，它们的微分必定满足全微分条件，即: 以上四式就是著名的麦克斯韦关系（简称为麦氏关系）。它们在热力学中应用极其广泛。 推导过程 含液态水的饱和湿空气的比焓 单位质量空气的内能： 单位截面气柱内空气的 总内能： 单位质量空气的势能即为重力位势。 单位截面气柱内空气的总内能： *