大气物理笔记02|大气热力学01

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探索地球大气的秘密:理想气体与实际特征


在地球中低层大气中,理想气体模型的应用源于其特定条件的满足。在高温(高于200K)和低压(低于1000hPa)下,分子间距离拉大,相互作用微乎其微,且分子体积与总体积相比极小,这使得实际气体近似为理想气体,平均自由程远大于分子尺寸。


道尔顿分压定律揭示混合气体的奥秘</

混合气体的总压强,根据道尔顿定律,等于各个气体分压之和,即当气体体积和温度固定时,有:



P_{total} = \sum P_i



其中,当各气体分压与总体积无关时</,分压与气体的体积混合比直接相关。



体积混合比:关键的参数

在大气化学中,体积混合比,定义为某一气体成分的分压与总体压的比值,它独立于大气密度,是理解气体成分比例的重要工具。



Van der Waals气体模型:现实与理想间的桥梁


Van der Waals模型考虑了气体分子的真实体积和分子间相互作用。气体实际体积(V)通过体积订正因子b调整,每个分子的修正体积为四倍其体积</。压强方面,真实气体的压强小于理想气体,与分子密度平方成反比,用常数a和b描述。


等温线的描绘与临界温度

Van der Waals方程描绘出等温线,高温时呈直线,低温时呈现三次方根形式。临界点是等温线转折点,通过解方程找出,标志着理想气体与非理想气体性质的转变点。



地球大气成分与特性


在对流层中,干洁空气的体积混合比揭示了各气体成分的相对比例,这对理解大气动力学至关重要。


气压与高度的关系


通过压高公式,我们发现100hPa对应的典型高度与10hPa的高度有着显著差异,通过微分方程的计算,我们可以得出具体数值。


密度对比与热力学定律的应用

理想气体方程揭示了不同气压下的大气密度差异。通过热力学定律,我们可以推导出绝热过程中的气体温度变化规律。


位温:大气热状态的度量


位温是通过比较绝热过程中的气体状态来定义的,它在绝热条件下保持不变,对于理解大气动力学过程极为重要。


水面与冰面平衡水汽压的差异

水面上的平衡水汽压是达到动态平衡的标志,而冰面的水汽压更低,这与水分子在冰面的蒸发速率较慢有关。


高原沸点:大气压力的影响


在高原,因大气压力较低,水的饱和水汽压也相应减小,这使得沸点下降,解释了为什么高原水的沸点低于100℃。



以上内容源自中国科学院大气研究所卞建春老师的《大气物理学》课程,仅为学习参考,期待您的讨论和指正。




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