- Gradient nhiệt theo phƣơng đứng gần bằng gradient trung bỡnh phƣơng đứng của nhiệt độ (60C/1km).
CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONG KHÍ QUYỂN
5.1.1. Những biến đổi đoạn nhiệt của nhiệt độ khụng khớ khụ
khụ
Quỏ trỡnh đoạn nhiệt là những quỏ trỡnh xảy ra trong một khối khụng khớ riờng biệt nào đú, khụng cú nhiệt dồn từ bờn ngoài vào và khụng cú nhiệt trả lại cho khụng gian xung quanh.
Giả sử cú một khối khụng khớ chuyển động theo phƣơng đứng một cỏch đoạn nhiệt. Tức là khụng xảy ra một sự trao đổi nào cả giữa khối khụng khớ đang xột và xung quanh. Tuy nhiờn, nhiệt độ của khối khụng khớ di chuyển sẽ thay đổi do sự biến đổi của ỏp suất mà khối khụng khớ đú chịu tỏc động và do sự biến đổi thể tớch của nú: Khi bốc lờn cao, khối khụng khớ bị lạnh đi vỡ phải tiờu thụ một cụng để nở ra. Trỏi lại, khi hạ xuống dƣới thỡ nú núng lờn do lực bờn ngoài (ỏp suất khớ quyển xung quanh tỏc động) thực hiện một cụng để nộn khối khụng khớ đú lại.
Giả sử một lƣợng nhiệt nhỏ dQ đƣợc truyền từ bờn ngoài vào một đơn vị khối lƣợng khụng khớ khụ (1g).
Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học:
dQ = CvdT + PdV (5.1)
Trong đú:
Cv = Q/T khi v = const là nhiệt dung của khụng khớ khi thể tớch khụng đổi.
P là ỏp suất. V là thể tớch riờng.
T là nhiệt độ khụng khớ cho sẵn.
Thành phần thứ nhất bờn phải là dựng để làm tăng nhiệt độ khụng khớ và thứ hai là cụng dón nở của nú với ỏp suất bờn ngoài khụng đổi.
9594 94
Hóy tớnh xem ở độ sõu nào những độ tắt của cỏc dao động nhiệt độ trong đất và nƣớc sẽ bằng nhau.
Đối với độ sõu đất là Zđvà nƣớc là Zn ta cú:
21 1 a n đ K Z K Z e e k k Z Z a đ n (4.54)
Đối với đất hệ số dẫn nhiệt độ k 0,01 và đối với nƣớc thỡ hệ số dẫn nhiệt loạn lƣu là: Ka = (A/ρ) = 110, trung bỡnh Ka = 5, thay
vào (4.54) ta đƣợc: 22 01 , 0 5 đ n Z Z (4.55)
Nhƣ vậy cỏc dao động nhiệt độ trong nƣớc xõm nhập xuống sõu gấp chừng 20 lần ở trong đất.
CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONGKHÍ QUYỂN KHÍ QUYỂN
5.1. Khỏi niệm về nhiệt động lực, quỏ trỡnh đoạn nhiệt và độ bền vững của khớ quyển và độ bền vững của khớ quyển
5.1.1. Những biến đổi đoạn nhiệt của nhiệt độ khụng khớ khụ khụ
Quỏ trỡnh đoạn nhiệt là những quỏ trỡnh xảy ra trong một khối khụng khớ riờng biệt nào đú, khụng cú nhiệt dồn từ bờn ngoài vào và khụng cú nhiệt trả lại cho khụng gian xung quanh.
Giả sử cú một khối khụng khớ chuyển động theo phƣơng đứng một cỏch đoạn nhiệt. Tức là khụng xảy ra một sự trao đổi nào cả giữa khối khụng khớ đang xột và xung quanh. Tuy nhiờn, nhiệt độ của khối khụng khớ di chuyển sẽ thay đổi do sự biến đổi của ỏp suất mà khối khụng khớ đú chịu tỏc động và do sự biến đổi thể tớch của nú: Khi bốc lờn cao, khối khụng khớ bị lạnh đi vỡ phải tiờu thụ một cụng để nở ra. Trỏi lại, khi hạ xuống dƣới thỡ nú núng lờn do lực bờn ngoài (ỏp suất khớ quyển xung quanh tỏc động) thực hiện một cụng để nộn khối khụng khớ đú lại.
Giả sử một lƣợng nhiệt nhỏ dQ đƣợc truyền từ bờn ngoài vào một đơn vị khối lƣợng khụng khớ khụ (1g).
Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học:
dQ = CvdT + PdV (5.1)
Trong đú:
Cv = Q/T khi v = const là nhiệt dung của khụng khớ khi thể tớch khụng đổi.
P là ỏp suất. V là thể tớch riờng.
T là nhiệt độ khụng khớ cho sẵn.
Thành phần thứ nhất bờn phải là dựng để làm tăng nhiệt độ khụng khớ và thứ hai là cụng dón nở của nú với ỏp suất bờn ngoài khụng đổi.
9594 94
Từ phƣơng trỡnh PV = RkkT ta cú:
PdV + VdP = RkkdT (5.2)
(Rkk = 287 104 cm2/(s2x0K)). Thay vào (5.1) ta đƣợc:
dQ = (Cv + Rkk)dT - VdP (5.3)
Biết Cp = Q/T khi p = const và Cp = Cv + Rkk.
Khi đú: dQ = CpdT - VdP (5.4)
Nếu là quỏ trỡnh đoạn nhiệt thỡ dQ = 0 và
CpdT = VdP (5.5) Thay V = RkkT/P đƣợc: CpdT = RkkTdP/P = (Cp– Cv)TdP/P (5.6) dT/T = (Rkk/Cp)dP/P = [(Cp– Cv)/Cp]dP/P (5.7) ln(T/To) = (Rkk/Cp)ln(P/Po) = [(Cp– Cv)/Cp]ln(P/Po)(5.8) hay T/To = (P/Po) Rkk/Cp = (P/Po)[(Cp – Cv)/Cp] = (P/Po)[(χ – 1)/χ]
χ = Cp/Cvgọi là hệ số Poỏt Xụng hay chỉ số đoạn nhiệt; χ =
1,4 và Rkk/Cp = 0,288
T/To = (P/Po)[(χ –1)/χ] = (P/Po) 0,288 gọi là cụng thức Poỏt Xụng (5.9)
Trong đú:
T và P là nhiệt độ tuyệt đối và ỏp suất của khụng khớ khi trạng thỏi của nú biến đổi một cỏch đoạn nhiệt;
To và Polà giỏ trị ban đầu.
Cụng thức Poỏt Xụng cho biết sự liờn hệ giữa những biến đổi của nhiệt độ và ỏp suất trong cỏc quỏ trỡnh đoạn nhiệt.
Theo phƣơng trỡnh tĩnh học cơ bản dP = -gdz, từ (5.6) sẽ đƣợc:
CpdT = -Vgdz và V = 1
a = -dT/dz = g/Cp gọi là gradient đoạn nhiệt khụ (5.10)
Đại lƣợng a = -dT/dz = g/Cp = 0,000098 độ/cm = 0,01 độ/m = 1 độ/100m là gradient đoạn nhiệt khụ đối với khụng khớ chƣa bóo hoà. Biết đƣợc độ lớn của gradient đoạn nhiệt khụ a, cú
thể tỡm đƣợc nhiệt độ T của khối khụng khớ bốc lờn đoạn nhiệt khụ ở một độ cao bất kỳ z:
T = To - az (5.11)
= -dT/dz là gradient hỡnh học (thẳng đứng), T đƣợc xỏc định
theo:
T = To - z (5.12)