lzu大气物理学 1 热力学基本规律

1、大气物理学大气物理学第六章 大气热力学基础6.1 热力学基本规律系统外界环境H未饱和湿空气，指通常的大气，是二元单相系H含液态水（或冰）的饱和湿空气系统，由水滴或冰晶组成的云和雾。二元多相系。H大气中发生变化的那部分空气看作封闭系的假定H准静态过程核准静力条件H气块（微团）模型的规定MAQUUs12AQdUs由于是封闭系统pdpdTcdpdTcQpdpRTdTcdpR)dT(cQpppv1广延量广延量（Extensive Quantity）强度量强度量（Intensive Quantity） 与系统的大小（空间的范围或自由度的数目）成正比的热与系统的大小（空间的范围或自由度的数目）成正比的热力

2、学量。如：系统的质量力学量。如：系统的质量M，摩尔数，摩尔数n，体积，体积V，内能，内能U, 等等。等等。 不随系统大小改变的热力学量。例如：系统的压强不随系统大小改变的热力学量。例如：系统的压强p，温，温度度T，密度，密度，磁化强度，磁化强度m，摩尔体积，摩尔体积v，等等。，等等。 1、热力学第二定律的表述、热力学第二定律的表述 2、热力学第二定律的实质、热力学第二定律的实质 指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程，它们有一定的自发进行的方向。是不可逆过程，它们有一定的自发进行的方向。 不可能把热量从低温物体传到高温物不可能把热量从低

3、温物体传到高温物体而不引起其它变化。体而不引起其它变化。不可能从单一热源吸热使之完全变成有用不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化。的功而不引起其它变化。（或：第二类永动机是不可能造成的。）（或：第二类永动机是不可能造成的。）克劳修斯克劳修斯(Clausius)说法说法：开尔文开尔文(Kelvin)说法：说法：1. 熵熵(entropy) 或或熵是一个态函数，其单位是熵是一个态函数，其单位是 J / K，它是广延量。，它是广延量。xxsTQSS)(0可逆0TQSs可逆d0ABSS1. 热力学第二定律的数学表达式热力学第二定律的数学表达式 TQSsdxxsTQSS)(00或或2

4、. 熵增加原理熵增加原理如果是如果是绝热过程绝热过程，则有：，则有： 经绝热过程后，系统的熵永不减少，经可逆绝热过经绝热过程后，系统的熵永不减少，经可逆绝热过程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加。程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加。 熵增加熵增加原理原理 pVUHG = U TS + pV 1. 吉布斯函数定义式吉布斯函数定义式1WGGBA 在等温等压过程中，除体积变化的功以在等温等压过程中，除体积变化的功以外，系统对外界所做的功不大于系统吉外，系统对外界所做的功不大于系统吉布斯函数的减少。或者说，系统吉布斯布斯函数的减少。或者说，系统吉布斯函数的减少是在等温等压过程中，除体函数的减少是在等

5、温等压过程中，除体积变化的功外，外界从系统所能获得的积变化的功外，外界从系统所能获得的最大功。最大功。 最大功定理最大功定理 在等温等压过程中，系统的吉布斯函数在等温等压过程中，系统的吉布斯函数永不增加。也就是说，在等温等压条件永不增加。也就是说，在等温等压条件下，系统中发生的不可逆过程总是朝着下，系统中发生的不可逆过程总是朝着吉布斯函数减少的方向进行的。吉布斯函数减少的方向进行的。若系统的体积不变，即若系统的体积不变，即W1 = 0，则有：，则有： 0 ABGGG热力学函数热力学函数U, H, F, G 的全微分的全微分热力学基本微分方程：热力学基本微分方程： dU = TdS pdV由由

6、H = U + pV、F = U TS 和和G = H TS 易得：易得：dH = TdS + Vdp dF = SdT pdV dG = SdT + Vdp 麦克斯韦关系式VVUSSUUSVddd由由U=U(S, V)，得：，得：TSUVpVUSdU = TdS pdV同理：同理：TSHpVpHSSTFVpVFTSTGpVpGT比较比较可得：可得：&pTTVpSVTTpVS 由于由于U, H, F, G均为状态函数，它们的微分必定满足全微分条件，均为状态函数，它们的微分必定满足全微分条件，即即: VSSpVTpSSVpT 以上四式就是著名的以上四式就是著名的麦克斯韦关系麦克斯韦关系（简称为麦氏关系）。（简称为麦氏关系）。它们在热力学中应用极其广泛。它们在热力学中应用极其广泛。 dpTdTcdhdpTdcdspppp)1 (ln推导过程dTcdhpRdTdcdspplnln相变潜热)()(2112puuL2TReLdTdevsvswpvvccdTdL0)(lnln)(TLrdpdRTdcrcvsddwtp含液态水的饱和湿空气的比焓常数)()(TLmTcmcmhvvwtpdd（1）内能Tcuv单位质量空气的内能：Tcuv000pvvTdpgcdzTcU单位截面气柱内空气的总内能：（2）势能gz单位质量空气