热力学方程
热力学第一定律在大气科学中的数学表述
热力学第一定律在大气科学中的数学表述。
描述
大气的动力学过程和热力学过程是相互联系、相互制约的,热力学第一定律也是应用于大气运动的基本定律,它给出了系统状态改变与热量交换之间的关系。热力学第一定律可表述为:物质体积元中内能动能随时间的变化率,等于外源的加热率与外界对该物质体积元所做的功率之和。它的数学表达式即为热力学方程,又称“热流量方程”。
方程
由普遍的能量守恒定律推导(推导过程可参考《动力气象学》)可得热力学方程为
式中,T,p分别为温度和气压;Q为外源对每单位质量空气的加热率;t为时间;cv为干空气比定容热容,值为718.60焦耳每千克开尔文(J·K-1·kg-1);a为比容;ε为斯托克斯耗散函数,表示分子黏性对动能的耗散率。
该方程表明:空气微团每单位质量的内能随时间的变化率,等于外源的加热率、分子黏性对动能的耗散率和压缩功率之和。
一般情况下分子黏性对动能的耗散率远远小于压缩功率,在动力气象学中常将其略去,于是常用的热力学方程的形式为
()或
其中cp为干空气比定压热容,值为1004.64焦耳每千克开尔文(J·K-1·kg-1)。
热力学方程规定了热交换与微团状态改变之间的关系,而且对于理解大气动力过程与热力过程之间相互联系、相互制约的辩证关系也十分重要。热力学方程左边第二项表示了压力对单位质量空气的做功率,因此它代表了热能和机械能之间的转换,说明太阳热能可以驱动大气运动。
参考资料
最新修订时间:2024-10-22 15:39
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