余高奇
气块的干绝热过程——热力学第一定律表示式
2024-5-22 11:05
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       本文拟介绍气块干绝热过程的热力学第一定律表示式,供参考.

 1.气块的干绝热过程

       将大气中具有微小容积的宏观空气微团称为气块;如果在上升(或下降)过程,①气块与周围环境不发生

热交换;②不发生水相的变化;则称该过程为干绝热过程.

       气块的干绝热过程对应的热力学第一定律表示式,参见如下式(1)所示:

        dUQWvW'

             =-pdV                       (1)

 备注:为研究方便,气块的干绝热过程有效功视为0,即:δW'=0.

  2. 气块干绝热上升过程的热力学性质

        气块上升过程,空气越往上越稀薄,外压(pe)不断减小,气块体积不断膨胀; 

        由式(1)可知:“-pdV”值不断减小,dU值亦减小,气块温度将降低.

   2.1 泊松方程

       泊松方程[1]是描述气块干绝热过程中,气块压强与温度的经验关系式,参见如下式(2)所示:

       image.png         (2)

       式(2)中“T1p1”及“T2p2”分别代表气块不同高度对应的温度与压强.

       式(2)可变形为:

       image.png    (3)

       式(3)显示:气块干绝热上升过程,p2<p1,则:T2<T1.

       即:干绝热上升过程,气块压强减小,温度将降低;这与式(1)讨论结果一致.

       另:对于气块干绝热上升过程,气块温度与气块上升高度关系参见如下式(4)所示:

       image.png     (4)

      式(4)中“Z1Z2”代表气块所处不同高度;“Γd”代表气块的干绝热垂直递减率,单位为

“℃/100m”.

  3. 各类常数间关系

       自然界各类常数之间常存在一些莫名关系,比如:π2g           (5)

       式(5)中“π”表示圆周率,π=3.14;“g”表示重力加速度,g=9.80m/s2.

       物理学中单摆周期计算公式,参见如下式(6)所示:

        image.png                (6)

        式(6)中“t”代表单摆的周期,单位为s;“l”代表单摆的摆长,单位为m.

        将式(5)代入式(6),并整理可得:

        image.png                        (7)

         式(7)为单摆周期计算的简化式.

         需明确科学研究不应缺少科学依据,单凭表象就轻易得出结论.

   4. 结论

        ⑴气块的干绝热过程对应的热力学第一定律表示式为“dU=-pdV”;

        ⑵气块的干绝热上升过程,空气越来越稀薄,外压不断减小,气块体积将膨胀,导致气块热力学能降低,

温度亦降低;

        ⑶气块位能(或动能)属于外部能量,与热力学能无关.

参考文献

[1]戴树桂主编, 环境化学,北京:高等教育出版社.1996:11-12.  

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