CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONG KHÍ QUYỂN
5.3.3. Nhiệt độ tương đương và nhiệt độ thế vị tương đương
Nhiệt độ khụng khớ khụ là chỉ số nội năng của nú. Khụng khớ ẩm so với khụng khớ khụ cú nội năng lớn hơn nhờ ẩn nhiệt gắn liền với hơi nƣớc chứa trong khụng khớ ẩm.
Giả sử chỉ số của năng lƣợng toàn phần của khụng khớ ẩm là nhiệt độ tƣơng đƣơng.
Nhiệt độ tƣơng đƣơng Telà nhiệt độ mà khối khụng khớ ẩm sẽ cú nếu trong mỡnhnú toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và ẩn nhiệt ngƣng kết toả ra đƣợc dựng để hun núng khụng khớ đú.
Gọi q (g/kg) là độ ẩm riờng của khụng khớ, L(calo/g) là ẩn nhiệt ngƣng kết,
cp là nhiệt dung của khụng khớ (cp = 273 calo/kg). Khi đú, toàn bộ lƣợng ẩn nhiệt trong 1 kg khụng khớ bằng Lq, cũn độ tăng nhiệt độ do lƣợng nhiệt đú gõy ra là: ΔT = Lq/cp
Do đú, nhiệt độ tƣơng đƣơng là: (L = 600calo/g).
Te= T + ΔT = T + Lq/cp = T + 2,52q (5.48) Áp dụng cụng thức Poỏt- xụng để tỡm nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơnge là:
e = Te(p/po)Rkk/Cp = Te(p/po)(Cp-Cv)/Cp (5.49) Hoặc một cỏch gần đỳng là:
e = Te + γa z (5.50) Nhƣ vậy, nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là nhiệt độ mà khụng khớ thu đƣợc khi trong mỡnh nú toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và sau đú khụng khớ trở thành khụ đƣợc đƣa một cỏch đoạn nhiệt về ỏp suất thƣờng.
Trong quỏ trỡnh đoạn nhiệt khụ, nhiệt độ thế vị của khối khụng khớ giữ khụng đổi, cũn trong quỏ trỡnh đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị biến đổi, nú tăng lờn nhờ ẩn nhiệt toả ra.
111110 110
Nếu trong khớ quyển cú tầng kết khụng bền vững (γ > 10/100m) thỡ đối lƣu và sự trao đổi sẽ hun núng cỏc lớp trờn cao và làm lạnh những lớp dƣới thấp. Trỏi lại, sự trao đổi loạn lƣu khi cú tầng kết bền vững (γ < 10/100m) sẽ làm cho cỏc lớp trờn cao lạnh đi và cỏc lớp dƣới thấp núng lờn.
Giải thớch điều này thụng qua việc xem xột nhiệt độthế vị. Khi chuyển động đoạn nhiệt khụ, nhiệt độ thế vị của khụng khớ khụng thay đổi. Do đú khi khụng khớ xỏo trộn loạn lƣu lõu dài thỡ nhiệt độ thế vị phải khụng đổi theo độ cao (cõn bằng phiếm định γ = γa).
Thụng lƣợng nhiệt do trao đổi cỏc khối lƣợng gõy ra tỷ lệ với gradient nhiệt độ thế vị. Khi nhiệt độ thế vị tăng theo độ cao (d/dz > 0), thụng lƣợng nhiệt sẽ hƣớng từ trờn xuống dƣới, cũn khi nhiệt độ thế vị giảm theo độ cao (d/dz < 0) thỡ thụng lƣợng nhiệt sẽ hƣớng lờn trờn.
Nhƣ vậy thụng lƣợng nhiệt loạn lƣu - đối lƣu trong khớ quyển phụ thuộc vào gradient nhiệt độ thế vị.
Q = - Acd/dz (5.45) Theo (5.44) Q = -Ac(/T)(γa - γ) = Ac(/T)(γ-γa) (5.46) Tuy nhiờn, trờn thực tế thụng lƣợng nhiệt sẽ hƣớng lờn trờn khi cú những gradient lớn hơn đại lƣợng γ0 0,60/100m và khi cú những gradient nhỏ hơn 0,60/100m, nhiệt mới lan truyền từ trờn xuống dƣới. Cỏc phần tử khụng khớ núng hơn cú khuynh hƣớng di chuyển chủ yếu lờn trờn, cũn lạnh hơn di chuyển xuống dƣới.
Đại lƣợng γ0 0,60/100m gọi là"gradient cõn bằng" khoảng nhỏ hơn γa và khi đú cụng thức trao đổi nhiệt trong khớ quyển sẽ cú dạng.
Q = Ac(/T)(γ-γo) (5.47)
5.3.3. Nhiệt độ tương đương và nhiệt độ thế vị tương đương
Nhiệt độ khụng khớ khụ là chỉ số nội năng của nú. Khụng khớ ẩm so với khụng khớ khụ cú nội năng lớn hơn nhờ ẩn nhiệt gắn liền với hơi nƣớc chứa trong khụng khớ ẩm.
Giả sử chỉ số của năng lƣợng toàn phần của khụng khớ ẩm là nhiệt độ tƣơng đƣơng.
Nhiệt độ tƣơng đƣơng Telà nhiệt độ mà khối khụng khớ ẩm sẽ cú nếu trong mỡnhnú toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và ẩn nhiệt ngƣng kết toả ra đƣợc dựng để hun núng khụng khớ đú.
Gọi q (g/kg) là độ ẩm riờng của khụng khớ, L(calo/g) là ẩn nhiệt ngƣng kết,
cp là nhiệt dung của khụng khớ (cp = 273 calo/kg). Khi đú, toàn bộ lƣợng ẩn nhiệt trong 1 kg khụng khớ bằng Lq, cũn độ tăng nhiệt độ do lƣợng nhiệt đú gõy ra là: ΔT = Lq/cp
Do đú, nhiệt độ tƣơng đƣơng là: (L = 600calo/g).
Te= T + ΔT = T + Lq/cp = T + 2,52q (5.48) Áp dụng cụng thức Poỏt- xụng để tỡm nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơnge là:
e = Te(p/po)Rkk/Cp = Te(p/po)(Cp-Cv)/Cp (5.49) Hoặc một cỏch gần đỳng là:
e = Te + γa z (5.50) Nhƣ vậy, nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơnglà nhiệt độ mà khụng khớ thu đƣợc khi trong mỡnh nú toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và sau đú khụng khớ trở thành khụ đƣợc đƣa một cỏch đoạn nhiệt về ỏp suất thƣờng.
Trong quỏ trỡnh đoạn nhiệt khụ, nhiệt độ thế vị của khối khụng khớ giữ khụng đổi, cũn trong quỏ trỡnh đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị biến đổi, nú tăng lờn nhờ ẩn nhiệt toả ra.
111110 110
Giỏo trỡnh Vật lý khớ quyển
Do đú đối với quỏ trỡnh đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng giữ vai trũ của nhiệt độ thế vị. Nú giữ khụng đổi trong tất cả cỏc biến đổi đoạn nhiệt và đoạn nhiệt giả của trạng thỏi của phần tử khụng khớ. C N M B A D T0 T 0 Z
Quá trình đoạn nhiệt giả và nhiệt độ thế vị t- ơng đ- ơng
Hỡnh 5.8
Giả sử khụng khớ ẩm chƣa bóo hoà với nhiệt độ T0, độ ẩm riờng q0 và nhiệt độ tƣơng đƣơnge0 = T0 + 2,52q0 bắt đầu bốc lờn một cỏch đoạn nhiệt [z = 0, nhiệt độ thế vị 0 = T0 và thế vị tƣơng đƣơng e0 = Te0].
Trạng thỏi của nú biến đổi ban đầu theo đoạn nhiệt khụ AB với q0 khụng đổi, sau đú theo đoạn nhiệt ẩm BC với độ lớn của q ngày càng giảm cho tới khi toàn bộ hơi nƣớc đó ngƣng kết lại (q = 0, tại C). Nhiệt độ thế vị của khụng khớ lỳc đầu 0 = T0, lờn trờn mực ngƣng kết bắt đầu tăng và khi toàn bộ hơi nƣớc đó ngƣng kết lại thỡ nú trở nờn bằng e0 = Te0 = T0 + 2,52q0.
Sau đú ta hạ khụng khớ khụ - đó mất hơi nƣớc tới mực ban đầu. Trạng thỏi của nú khi hạ xuống sẽ khụng thay đổi theo đoạn nhiệt khụ CD và cuối cựng sẽ là nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng ban đầu e0 = Te0 = T0 + 2,52q0. Đoạn AD là độ lớn của e0 - T0 là độ tăngnhiệt độ nhờ ẩn nhiệt toả ra (tức là 2,52q0).
Mọi đoạn thẳng vạch ở một mực bất kỳ giữa cỏc đƣờng đoạn nhiệt đi lờn và đi xuống song song với trục hoành.
Vớ dụ: MN cựng là độ lớn của phần cộng thờm (2,52q)cho tới nhiệt độ tƣơng đƣơng đối với mực cho sẵn.
Việc chuyển từ một điểm bất kỳ trờn đƣờng trạng thỏi ABC bằng cỏch cộng thờm đại lƣợng tƣơng ứng 2,52q (đoạn MN) để thu đƣợc nhiệt độ tƣơng đƣơng bao giờ cũng đƣa tới đƣờng đoạn nhiệt CD. Khi đi xuống theo đƣờng này sẽ tới cựng một nhiệt độ thế vị
Quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả và nhiệt độ thế vị tương đương
Giỏo trỡnh Vật lý khớ quyển
tƣơng đƣơng. Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là tớnh chất cố định (bảo toàn) của cỏc khối khụng khớ.
Túm lại:Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng của mặt khối khụng khớ giữ khụng đổi trong mọi di chuyển thẳng đứng bất kỳ khụng phụ thuộc vào quỏ trỡnh đoạn nhiệt khụ, đoạn nhiệt ẩm hay đoạn nhiệt giả và khụng phụ thuộc vào mực đi lờn cuối cựng của khối khụng khớ. Nú chỉ cú thể biến đổi dƣới ảnh hƣởng của cỏc quỏ trỡnh bức xạ và cả của sự trao đổi nhiệt với mặt đệm hoặc do lƣợng chứa hơi ẩm tăng lờn nhờ sự bốc hơi từ mặt đất.