第四章大气热力学

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。

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。

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。

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。

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。

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。