Légköri termodinamika Termodinamika: a hőegyensúllyal, valamint a hőnek, és más energiafajtáknak kölcsönös átalakulásával foglalkozó tudományág. Meteorológiai vonatkozása ( a légkör termodinamikája): a légkörben lezajló energia- és fázisátalakulások vizsgálata. A Föld-légkör rendszer hidro- és termodinamikai folyamatai.
Termodinamikai állapothatározók A Föld-légkör rendszert, mint termodinamikai rendszert vizsgáljuk. E rendszert különböző termodinamikai állapothatározókkal és a köztük fönnálló törvényszerűségekkel jellemezzük. A termodinamikai állapothatározók: Extenzív állapothatározók Additív mennyiségek, két rendszer egyesítésekor összeadódnak térfogat tömeg energia intenzív állapothatározók Két rendszer egyesítésekor átlagolódnak, kiegyenlítődnek hőmérséklet nyomás
Termodinamikai állapothatározók Térfogat: A gyakorlatban a sűrűséggel fejezzük ki: ρ = m/v [kg/m 3 ] A száraz levegő sűrűsége (standard légköri nyomáson, 0 C-on): 1,22 kg/m 3 Nyomás: Az egységnyi felületre ható nyomóerő. [Pa = N/m 2 ] A meteorológiában használatos mértékegység a hpa. p = ρgh = 1, 3596 10 kg m 9, 806m s 0, 76m= 101325N m 4 3 2 2 (1 cm 2 felületű légoszlop súlyával 76 cm magas, 1 cm 2 felületű Hg oszlop tart egyensúlyt)
Termodinamikai állapothatározók Hőmérséklet: A levegőrészecskék mozgási energiájával arányos állapothatározó. Különböző skálák: Celsius-skála (1742) [ C] Az a rendszer, amely termikus egyensúlyban áll az......1013,25 hpa normál nyomáson lévő tiszta víz és jég keverékével, t = 0 C...1013,25 hpa normál nyomáson lévő forrásban lévő víz feletti gőzzel t = 100 C (Celsius skála definíciója) Fahreneit-skála (1714) [ F] (Réaumur-skála [ R]) C = 5/9*( F 32) = 5/4* R, F = (9/5* C)+32 = 9/4* R+32, Abszolút hőmérsékleti skála: T = t + 273,15 [K] A termodinamikai, vagy Kelvin-skála alappontja a hőmozgás megszűnésének elméleti határa: 273,15 C = 0 K.
Gáztörvények Összefüggések a termodinamikai állapothatározók között: Kapcsolat a nyomás és a térfogat között, ha a hőmérséklet állandó (izoterm folyamat). Boyle-Mariotte tv.: Adott tömegű és állandó hőmérsékletű gáz nyomása és térfogata egymással fordított arányban áll (a nyomás és a térfogat szorzata állandó): p V = állandó
Gáztörvények Kapcsolat a térfogat és a hőmérséklet között, ha a nyomás állandó (izobár folyamat). Gay-Lussac I. tv.: Állandó nyomáson a gázok térfogata a hőmérséklet lineáris függvénye (a térfogat és a hőmérséklet aránya állandó): V/T = állandó (Bármely gázt izobárikusan 1 C-al melegítve, eredeti térfogatának 1/273-ad részével terjed ki.)
Gáztörvények Kapcsolat a nyomás és a hőmérséklet között, ha a térfogat állandó (izochor folyamat). Gay-Lussac II. tv.: Állandó térfogaton a gázok nyomása a hőmérséklet lineáris függvénye (a nyomás és a hőmérséklet aránya állandó): p/t = állandó
Gáztörvények Kapcsolat a térfogat, a nyomás és a hőmérséklet között: Egyesített gáztörvény (Boyle-Mariotte és Gay-Lusac I. alapján): p V/T = állandó = R ez az ideális gáz állapotegyenlete ahol R a gázállandó A száraz levegő gázállandója: Rd = 287,05 J kg 1 K 1 A vízgőz specifikus gázállandója: Rv = 464,51 J kg 1 K 1 Ideális gáz: az a gáz, amely bármely nyomás-, térfogat- és hőmérséklet tartományban követi a Boyle-Mariott és a Gay-Lussac törvényeket. (A légkört alkotó gázok ideális gáznak tekinthetők, kivéve a vízgőzt, amely a telítéshez közeledve már nem követi az előbbi törvényeket.)
A termodinamika főtételei Az első főtétel: (az energiamegmaradás termodinamikai folyamatokra érvényes alakja): általánosan: Energia semmilyen folyamat során nem keletkezik, vagy vész el, csak egyik energiaformából egy másik energiaformába alakul át. légköri termodinamika szempontjából: (A belső energia, a hőmennyiség és a munkamennyiség megváltozásainak összefüggését adja meg.) A rendszerrel közölt hő egy része a rendszer belső energiáját növeli, más része pedig a környezettel szembeni expanziós munkára fordítódik: dq = c p dt dp/ρ légköri energiaegyenlet (pl. a sugárzás hatására a levegő felmelegedik és kitágul) c p a fajhő, mely azt adja meg, hogy mekkora hő szükséges egy adott gáz 1 C-al való felmelegítéséhez.
A termodinamika főtételei A második főtétel: (Az első főtételben megfogalmazott energiaátalakulások irányát szabja meg) A természet összes jelensége során hő magától minden esetben a magasabb hőmérsékletű testekről az alacsonyabb hőmérsékletű testekre megy át. Az egymással kölcsönhatásban lévő rendszerek az intenzív mennyiségek homogén eloszlására, kiegyenlítődésére törekszenek.
Fázisátalakulások Az energiaátalakulások során a termodinamikai rendszeren belül fázisátalakulások történhetnek: Fázis: valamely heterogén rendszer fizikailag homogén része, melyet a rendszer többi részeitől olyan belső határfelület választ el, ahol a fizikai és kémiai tulajdonságok ugrásszerű változást mutatnak. Fázis a halmazállapot (cseppfolyó, szilárd, légnemű, plazma), de lehet a halmazállapotokon belüli eltérő állapot is (pl. különböző kristályformák).
Fázisátalakulások Légköri alkotóelemek: gáz, vagy gőz? Gáz: a nyomás, térfogat és hőmérséklet állapothatározók adott rendszeren belül csak olyan értéket vehetnek fel, amelyek együttese biztosan kívül esik a fázisváltozások tartományán (légköri feltételek között nem cseppfolyósíthatók). Gőz: fázisátalakuláson mehet át A légköri feltételek között a légkör alkotóelemei egy fázisban vannak. Kivételt képez a víz, mely három fázisban is előfordul. Fázisváltozások során a rendszer energiát vesz fel, vagy ad le. A rendszer energiát vesz fel: olvadás, párolgás A rendszer energiát ad le: kicsapódás, fagyás
Adiabatikus folyamatok