Légköri termodinamika Termodinamika: a hőegyensúllyal, valamint a hőnek, és más energiafajtáknak kölcsönös átalakulásával foglalkozó tudományág. Meteorológiai vonatkozása (→ a légkör termodinamikája): a légkörben lezajló energia- és fázisátalakulások vizsgálata.
A Föld-légkör rendszer hidro- és termodinamikai folyamatai.
Termodinamikai állapothatározók A Föld-légkör rendszert, mint termodinamikai rendszert vizsgáljuk. E rendszert különböző termodinamikai állapothatározókkal és a köztük fönnálló törvényszerűségekkel jellemezzük.
A termodinamikai állapothatározók: Extenzív állapothatározók Additív mennyiségek, két rendszer egyesítésekor összeadódnak ¾ térfogat ¾ tömeg ¾ energia
intenzív állapothatározók Két rendszer egyesítésekor átlagolódnak, kiegyenlítődnek ¾ hőmérséklet ¾ nyomás
Termodinamikai állapothatározók Térfogat: •A gyakorlatban a sűrűséggel fejezzük ki: ρ = m/V [kg/m3] •A száraz levegő sűrűsége (standard légköri nyomáson, 0°C-on): 1,22 kg/m3
Nyomás: •Az egységnyi felületre ható nyomóerő. [Pa = N/m2] •A meteorológiában használatos mértékegység a hPa.
p = ρgh = 1,3596 ⋅ 10 4 kg ⋅ m −3 ⋅ 9,806m ⋅ s −2 ⋅ 0,76m = 101325N ⋅ m −2 (1 cm2 felületű légoszlop súlyával 76 cm magas, 1 cm2 felületű Hg oszlop tart egyensúlyt)
Termodinamikai állapothatározók Hőmérséklet: A levegőrészecskék mozgási energiájával arányos állapothatározó. Különböző skálák: Celsius-skála (1742) [°C] Az a rendszer, amely termikus egyensúlyban áll az... ...1013,25 hPa normál nyomáson lévő tiszta víz és jég keverékével, t = 0°C ...1013,25 hPa normál nyomáson lévő forrásban lévő víz feletti gőzzel t = 100°C (Celsius skála definíciója) Fahreneit-skála (1714) [°F] (Réaumur-skála [°R])
°C = 5/9*(°F–32) = 5/4*°R, °F = (9/5*°C)+32 = 9/4*°R+32,
Abszolút hőmérsékleti skála: T = t + 273,15 [K] A termodinamikai, vagy Kelvin-skála alappontja a hőmozgás megszűnésének elméleti határa: – 273,15°C = 0 K.
Gáztörvények Összefüggések a termodinamikai állapothatározók között: Kapcsolat a nyomás és a térfogat között, ha a hőmérséklet állandó (izoterm folyamat). →Boyle-Mariotte tv.: Adott tömegű és állandó hőmérsékletű gáz nyomása és térfogata egymással fordított arányban áll (a nyomás és a térfogat szorzata állandó): p·V = állandó
Gáztörvények Kapcsolat a térfogat és a hőmérséklet között, ha a nyomás állandó (izobár folyamat). →Gay-Lussac I. tv.: Állandó nyomáson a gázok térfogata a hőmérséklet lineáris függvénye (a térfogat és a hőmérséklet aránya állandó): V/T = állandó (Bármely gázt izobárikusan 1°C-al melegítve, eredeti térfogatának 1/273-ad részével terjed ki.)
Gáztörvények Kapcsolat a nyomás és a hőmérséklet között, ha a térfogat állandó (izochor folyamat). →Gay-Lussac II. tv.: Állandó térfogaton a gázok nyomása a hőmérséklet lineáris függvénye (a nyomás és a hőmérséklet aránya állandó): p/T = állandó
Gáztörvények Kapcsolat a térfogat, a nyomás és a hőmérséklet között: →Egyesített gáztörvény (Boyle-Mariotte és Gay-Lusac I. alapján): p·V/T = állandó = R → ez az ideális gáz állapotegyenlete ahol R a gázállandó A száraz levegő gázállandója: A vízgőz specifikus gázállandója:
Rd = 287,05 J kg–1 K–1 Rv = 464,51 J kg–1 K–1
Ideális gáz: az a gáz, amely bármely nyomás-, térfogat- és hőmérséklet tartományban követi a Boyle-Mariott és a Gay-Lussac törvényeket. (A légkört alkotó gázok ideális gáznak tekinthetők, kivéve a vízgőzt, amely a telítéshez közeledve már nem követi az előbbi törvényeket.)
A termodinamika főtételei Az első főtétel: (az energiamegmaradás termodinamikai folyamatokra érvényes alakja): általánosan: Energia semmilyen folyamat során nem keletkezik, vagy vész el, csak egyik energiaformából egy másik energiaformába alakul át. légköri termodinamika szempontjából: (A belső energia, a hőmennyiség és a munkamennyiség megváltozásainak összefüggését adja meg.) A rendszerrel közölt hő egy része a rendszer belső energiáját növeli, más része pedig a környezettel szembeni expanziós munkára fordítódik: dQ = cp·dT – dp/ρ → légköri energiaegyenlet (pl. a sugárzás hatására a levegő felmelegedik és kitágul) cp a fajhő, mely azt adja meg, hogy mekkora hő szükséges egy adott gáz 1 °C-al való felmelegítéséhez.
A termodinamika főtételei A második főtétel: (Az első főtételben megfogalmazott energiaátalakulások irányát szabja meg) A természet összes jelensége során hő magától minden esetben a magasabb hőmérsékletű testekről az alacsonyabb hőmérsékletű testekre megy át. Az egymással kölcsönhatásban lévő rendszerek az intenzív mennyiségek homogén eloszlására, kiegyenlítődésére törekszenek.
Fázisátalakulások Az energiaátalakulások során a termodinamikai rendszeren belül fázisátalakulások történhetnek: Fázis: valamely heterogén rendszer fizikailag homogén része, melyet a rendszer többi részeitől olyan belső határfelület választ el, ahol a fizikai és kémiai tulajdonságok ugrásszerű változást mutatnak. Fázis a halmazállapot (cseppfolyó, szilárd, légnemű, plazma), de lehet a halmazállapotokon belüli eltérő állapot is (pl. különböző kristályformák).
Fázisátalakulások
Légköri alkotóelemek: gáz, vagy gőz? Gáz: a nyomás, térfogat és hőmérséklet állapothatározók adott rendszeren belül csak olyan értéket vehetnek fel, amelyek együttese biztosan kívül esik a fázisváltozások tartományán (légköri feltételek között nem cseppfolyósíthatók). Gőz: fázisátalakuláson mehet át A légköri feltételek között a légkör alkotóelemei egy fázisban vannak. Kivételt képez a víz, mely három fázisban is előfordul. Fázisváltozások során a rendszer energiát vesz fel, vagy ad le. A rendszer energiát vesz fel: olvadás, párolgás A rendszer energiát ad le: kicsapódás, fagyás
Adiabatikus folyamatok
