- Gradient nhiệt theo phƣơng đứng gần bằng gradient trung bỡnh phƣơng đứng của nhiệt độ (60C/1km).
CHƢƠNG IV: CHẾ ĐỘ NHIỆT 4.1 Cỏn cõn nhiệt
4.5.3. Sự lan truyền nhiệt trong nước
Trong quỏ trỡnh xỏo trộn của nƣớc, cỏc khối nƣớc nhỏ liờn tục di chuyển theo chiều thẳng đứng và trữ lƣợng nhiệt chứa trong cỏc khối nƣớc này cũng đƣợc chuyển đi. Những chuyển động thẳng đứng trong khối nƣớc thƣờng hay do những nguyờn nhõn nhiệt gõy ra. Vớ dụ, khi lớp nƣớc mặt bị lạnh đi do bức xạ vào ban đờm sẽ làm tăng mật độ của nƣớc trong lớp đú và bắt đầu hạ xuống dƣới và sẽ cú những hạt núng hơn, nhẹ hơn đi từ dƣới lờn trờn thay thế. Những chuyển động thẳng đứng nhƣ vậy trong chất nƣớc gõy ra do sự thay đổi mật độ của cỏc chất khối nƣớc riờng biệt từ sự núng lờn hoặc lạnh đi gọi là đối lƣu nhiệt.
Nƣớc ngọt cú tỷ trọng lớn nhất ở nhiệt độ + 40C, do đú trong vựng chứa nƣớc ngọt cú nhiệt thấp hơn 40C thỡ chuyển động đối
lƣu xuất hiện khụng phải khi nƣớc lạnh đi (dƣới 40C) mà là khi
nƣớc ấm lờn (trờn 40C) vào ban ngày.
Những chuyển dịch thẳng đứng của cỏc khối nƣớc xảy ra cả trong trƣờng hợp cả toàn khối nƣớc đang chuyển động nhƣ đang chảy theo phƣơng ngang. Những chuyển dịch thẳng đứng nhƣ vậy của cỏc hạt nƣớc đƣợc gõy ra bởi sự loạn lƣu động lực (sự cuộn xoỏy) của dũng. Cú hai loại dũng chảy của chất nƣớc:
- Dũng chảy theo từng lỏt: Tất cả cỏc hạt nƣớc trong dũng chảy đều
di chuyểnsong song với nhau (tốc độ dũng chảy nhỏ).
- Dũng chảy loạn lƣu: Khi tốc độ dũng chảy đạt tới một giỏ trị tới hạn nào đú thỡ tớnh chất của chuyển động của chất nƣớc thay đổi ngay tức khắc. Bờn trong dũng chảy xuất hiện những xoỏy nhỏ, chuyển dịch theo tất cả mọi hƣớng khỏc nhau (cú cả chuyển động theo phƣơng đứng, một số hạt đi lờn, một số khỏc đi xuống) loại dũng chảy nhƣ thế đƣợc gọi là dũng chảy loạn lƣu.
- Mọi chuyển dịch thẳng đứng của cỏc hạt cú hệ quả là sự xỏo trộn, tức là sự trao đổi cỏc khối lƣợng giữa hai lớp lõn cận (trong điều kiện tự nhiờn và cỏc dũng nƣớc chảy và cỏc dũng khụng khớ chảy bao giờ cũng mangtớnh chất loạn lƣu).
Giả sử bờn trong lũng nƣớc di chuyển theo chiều mũi tờn cú một mặt nằm ngang (MN) phõn chia 2 lớp lõn cận I và II, lớp nọ nằm dƣới lớp kia (Hỡnh 4.4).
II
M ––– N
I Hỡnh 4.4 Hỡnh 4.4 : Chuyển động của toàn khối nƣớc
Nhờ sự loạn lƣu nờn cỏc lớp nƣớc I và II liờn tục trao đổi với nhau một phần khối lƣợng của chỳng (dƣới lờn, trờn xuống trong thời gian 1 giõy). Loạn lƣu càng lớn thỡ sự trao đổi càng linh hoạt. Nếu trong khối nƣớc đồng nhất (cỏc lớp cú tớnh chất nhƣ nhau độ
9190 90
Cực đại và cực tiểu ở độ sõu 10 cm bị chậm hơn khoảng 2,5 -
3,5 giờ. Cũn cực đại, cực tiểu hàng năm chậm khoảng 20 - 30 ngày
ở độ sõu 1m.
Những độ sõu cú nhiệt hàng ngày và hàng năm khụng đổi tỷ lệ với nhau nhƣ những căn số bậc hai của cỏc chu kỳ dao động. Vớ dụ: Z1 là độ sõu tắt đi của dao động ngày đờm, cũn Z2là của năm; thỡ từ (4.46), với chu kỳ dao động ngày là 1, năm là 2 ta cú đẳng thức đối với độ sõu tắt dần là:
22 2 1 1 2 2 1 1 K Z K Z e eZ K Z K 1, 19 1 365 1 2 1 2 1 Z Z (4.48)
Nhiệt độ ở những độ sõu sõu hơn 20m của vỏ trỏi đất hầu nhƣ khụng thay đổi theo thời gian, nhƣng tăng lờn theo độ sõu với bậc địa nhiệt (10/30-35m). Sự biến thiờn nhiệt độ theo độ sõu trong vỏ trỏi đất đƣợc đặc trƣng bằng gradient địa nhiệt (trung bỡnh khoảng 0,03 độ/m hoặc 3,3 độ/100m).
Do đú nhiệt độ ở dƣới cỏc đƣờng hầm, giếng mỏ cú nhiệt độ rất cao (ở độ sõu 4000 một cú khi nhiệt độ lờn tới 1200C.
4.5.3. Sự lan truyền nhiệt trong nước
Trong quỏ trỡnh xỏo trộn của nƣớc, cỏc khối nƣớc nhỏ liờn tục di chuyển theo chiều thẳng đứng và trữ lƣợng nhiệt chứa trong cỏc khối nƣớc này cũng đƣợc chuyển đi. Những chuyển động thẳng đứng trong khối nƣớc thƣờng hay do những nguyờn nhõn nhiệt gõy ra. Vớ dụ, khi lớp nƣớc mặt bị lạnh đi do bức xạ vào ban đờm sẽ làm tăng mật độ của nƣớc trong lớp đú và bắt đầu hạ xuống dƣới và sẽ cú những hạt núng hơn, nhẹ hơn đi từ dƣới lờn trờn thay thế. Những chuyển động thẳng đứng nhƣ vậy trong chất nƣớc gõy ra do sự thay đổi mật độ của cỏc chất khối nƣớc riờng biệt từ sự núng lờn hoặc lạnh đi gọi là đối lƣu nhiệt.
Nƣớc ngọt cú tỷ trọng lớn nhất ở nhiệt độ + 40C, do đú trong vựng chứa nƣớc ngọt cú nhiệt thấp hơn 40C thỡ chuyển động đối
lƣu xuất hiện khụng phải khi nƣớc lạnh đi (dƣới 40C) mà là khi
nƣớc ấm lờn (trờn 40C) vào ban ngày.
Những chuyển dịch thẳng đứng của cỏc khối nƣớc xảy ra cả trong trƣờng hợp cả toàn khối nƣớc đang chuyển động nhƣ đang chảy theo phƣơng ngang. Những chuyển dịch thẳng đứng nhƣ vậy của cỏc hạt nƣớc đƣợc gõy ra bởi sự loạn lƣu động lực (sự cuộn xoỏy) của dũng. Cú hai loại dũng chảy của chất nƣớc:
- Dũng chảy theo từng lỏt: Tất cả cỏc hạt nƣớc trong dũng chảy đều
di chuyểnsong song với nhau (tốc độ dũng chảy nhỏ).
- Dũng chảy loạn lƣu: Khi tốc độ dũng chảy đạt tới một giỏ trị tới hạn nào đú thỡ tớnh chất của chuyển động của chất nƣớc thay đổi ngay tức khắc. Bờn trong dũng chảy xuất hiện những xoỏy nhỏ, chuyển dịch theo tất cả mọi hƣớng khỏc nhau (cú cả chuyển động theo phƣơng đứng, một số hạt đi lờn, một số khỏc đi xuống) loại dũng chảy nhƣ thế đƣợc gọi là dũng chảy loạn lƣu.
- Mọi chuyển dịch thẳng đứng của cỏc hạt cú hệ quả là sự xỏo trộn, tức là sự trao đổi cỏc khối lƣợng giữa hai lớp lõn cận (trong điều kiện tự nhiờn và cỏc dũng nƣớc chảy và cỏc dũng khụng khớ chảy bao giờ cũng mangtớnh chất loạn lƣu).
Giả sử bờn trong lũng nƣớc di chuyển theo chiều mũi tờn cú một mặt nằm ngang (MN) phõn chia 2 lớp lõn cận I và II, lớp nọ nằm dƣới lớp kia (Hỡnh 4.4).
II
M ––– N
I Hỡnh 4.4 Hỡnh 4.4 : Chuyển động của toàn khối nƣớc
Nhờ sự loạn lƣu nờn cỏc lớp nƣớc I và II liờn tục trao đổi với nhau một phần khối lƣợng của chỳng (dƣới lờn, trờn xuống trong thời gian 1 giõy). Loạn lƣu càng lớn thỡ sự trao đổi càng linh hoạt. Nếu trong khối nƣớc đồng nhất (cỏc lớp cú tớnh chất nhƣ nhau độ
9190 90
mặn, trữ lƣợng nhiệt, lƣợng chất cặn lơ lửng) thỡ sự thay đổi cỏc khối lƣợng khụng làm thay đổi gỡ cả.
Nếu cú sự khụng đồng nhất (vớ dụ về phƣơng diện nhiệt thụng qua gradiend nhiệt độ thẳng đứng) thỡ do sự trao đổi của cỏc
khối lƣợng sẽ xuất hiện một thụng lƣợng nhiệt thẳng đứng bờn trong chất nƣớc hƣớng về phớa nhiệt độ giảm. Trong sự trao đổi cỏc khối lƣợng, cỏc hạt từ lớp núng hơn xuyờn vào lớp lõn cận lạnh hơn sẽ làm nú núng dần lờn, trong khi đú lớp núng hơn sẽ bị lạnh đi vỡ
cú những hạt lạnh từ lớp khỏc rơi vào. Kết quả là nhiệt sẽ di chuyển về phớa lớp lạnh.
Độ lớn của thụng lƣợng nhiệt thẳng đứng tức là lƣợng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian (giõy) qua một đơn vị bề mặt
(cm2) theo phƣơng thẳng đứng của lƣợng chứa nhiệt (-dq/dz).
Tức là:
Q(calo/ cm2giõy) = - A (dq/dz) (4.49)
Ở đõy q đƣợc hiểu là trữ lƣợng nhiệt (thƣớc đo cƣờng độ) bằng [cal/g]. A là hệ số trao đổi [g/cm.s].
Đại lƣợng biểu thị sự xỏo trộn thụng qua thụng lƣợng thẳng đứng đƣợc viết một cỏch tổng quỏt là:
S = -A (ds/dz) (4.50)
Trong đú:
s: Là lƣợng chứa của mọi chất hoặc tớnh chất bất kỳ trong một đơn vị khối lƣợng.
S: Là thụng lƣợng thẳng đứng của chất đú qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian.
Đối với dẫn nhiệt phõn tử: Q1 = - (dT/dz)
Loạn lƣu: Thụng lƣợng nhiệt: Q2 = -A (dq/dz) hoặc: Q2 = -AC (dT/dz) Thụng lƣợng bức xạ: Q3 = -J (dT/dz) J: Là hệ số dẫn nhiệt bức xạ Tổng quỏt: dz dT k Q (4.51) Theo (4.49), với q = cT thỡ: dq/dz = c (dT/dz) và Q = -Ac (dT/dz) (4.52)
Cụng thức (4.52) biểu thị thụng lƣợng nhiệt phụ thuộc vào gradient nhiệt dộ, tƣơng tự cụng thức biểu thị thụng lƣợng nhiệt do sự dẫn nhiệt phõn tử (Q = - (dT/dz)).
Ac (cũng giữ một vai trũ nhƣ đại lƣợng ) gọi là hệ số dẫn
nhiệt loạn lƣu;
A= 1 10, c = 1 (đối với nƣớc) trong khi đú = 0,00125, hệ số dẫn nhiệt phõn tử của nƣớc.
Do đú sự truyền nhiệt trong nƣớc bằng quỏ trỡnh loạn lƣu mạnh gấp mấy nghỡn lần sự truyền nhiệt bằng cỏch dẫn nhiệt phõn tử.
Tƣơng tự trong lý thuyết về sự dẫn nhiệt :
(dT/dt) = K (d2T/dz2) (theo 4.45) với K = (/cρ) là hệ số dẫn nhiệt
Đối với sự lan truyền nhiệt bằng cỏch trao đổi ta cú:
(dT/dt) = Ka (d2T/dz2) (4.53)
Ka = (Ac/ cρ) = (A/ρ). Cú thể gọi là hệ số dẫn nhiệt độ loạn lƣu.
Độ sõu xõm nhập tới của cỏc dao động nhiệt độ trong nƣớc (theo 4.46) về độ tắt của cỏc dao động:
K Z e 93 92
mặn, trữ lƣợng nhiệt, lƣợng chất cặn lơ lửng) thỡ sự thay đổi cỏc khối lƣợng khụng làm thay đổi gỡ cả.
Nếu cú sự khụng đồng nhất (vớ dụ về phƣơng diện nhiệt thụng qua gradiend nhiệt độ thẳng đứng) thỡ do sự trao đổi của cỏc
khối lƣợng sẽ xuất hiện một thụng lƣợng nhiệt thẳng đứng bờn trong chất nƣớc hƣớng về phớa nhiệt độ giảm. Trong sự trao đổi cỏc khối lƣợng, cỏc hạt từ lớp núng hơn xuyờn vào lớp lõn cận lạnh hơn sẽ làm nú núng dần lờn, trong khi đú lớp núng hơn sẽ bị lạnh đi vỡ
cú những hạt lạnh từ lớp khỏc rơi vào. Kết quả là nhiệt sẽ di chuyển về phớa lớp lạnh.
Độ lớn của thụng lƣợng nhiệt thẳng đứng tức là lƣợng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian (giõy) qua một đơn vị bề mặt
(cm2) theo phƣơng thẳng đứng của lƣợng chứa nhiệt (-dq/dz).
Tức là:
Q(calo/ cm2giõy) = - A (dq/dz) (4.49)
Ở đõy q đƣợc hiểu là trữ lƣợng nhiệt (thƣớc đo cƣờng độ) bằng [cal/g]. A là hệ số trao đổi [g/cm.s].
Đại lƣợng biểu thị sự xỏo trộn thụng qua thụng lƣợng thẳng đứng đƣợc viết một cỏch tổng quỏt là:
S = -A (ds/dz) (4.50)
Trong đú:
s: Là lƣợng chứa của mọi chất hoặc tớnh chất bất kỳ trong một đơn vị khối lƣợng.
S: Là thụng lƣợng thẳng đứng của chất đú qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian.
Đối với dẫn nhiệt phõn tử: Q1 = - (dT/dz)
Loạn lƣu: Thụng lƣợng nhiệt: Q2 = -A (dq/dz) hoặc: Q2 = -AC (dT/dz) Thụng lƣợng bức xạ: Q3 = -J (dT/dz) J: Là hệ số dẫn nhiệt bức xạ Tổng quỏt: dz dT k Q (4.51) Theo (4.49), với q = cT thỡ: dq/dz = c (dT/dz) và Q = -Ac (dT/dz) (4.52)
Cụng thức (4.52) biểu thị thụng lƣợng nhiệt phụ thuộc vào gradient nhiệt dộ, tƣơng tự cụng thức biểu thị thụng lƣợng nhiệt do sự dẫn nhiệt phõn tử (Q = - (dT/dz)).
Ac (cũng giữ một vai trũ nhƣ đại lƣợng ) gọi là hệ số dẫn
nhiệt loạn lƣu;
A= 1 10, c = 1 (đối với nƣớc) trong khi đú = 0,00125, hệ số dẫn nhiệt phõn tử của nƣớc.
Do đú sự truyền nhiệt trong nƣớc bằng quỏ trỡnh loạn lƣu mạnh gấp mấy nghỡn lần sự truyền nhiệt bằng cỏch dẫn nhiệt phõn tử.
Tƣơng tự trong lý thuyết về sự dẫn nhiệt :
(dT/dt) = K (d2T/dz2) (theo 4.45) với K = (/cρ) là hệ số dẫn nhiệt
Đối với sự lan truyền nhiệt bằng cỏch trao đổi ta cú:
(dT/dt) = Ka (d2T/dz2) (4.53)
Ka = (Ac/ cρ) = (A/ρ). Cú thể gọi là hệ số dẫn nhiệt độ loạn lƣu.
Độ sõu xõm nhập tới của cỏc dao động nhiệt độ trong nƣớc (theo 4.46) về độ tắt của cỏc dao động:
K Z e 93 92
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.