Khí tượng đại cương Chương - Nhiệt động lực học khí (phần 4) Bùi Hồng Hải ĐH Khoa Học Tự Nhiên

Khí tượng đại cương

Chương 3 - Nhiệt động lực học
khí quyển (phần 4)
Bùi Hoàng Hải
ĐH Khoa Học Tự Nhiên
Email:


Nội dung




Hơi nước trong khơng khí
Q trình đoạn nhiệt ẩm
Những điều kiện bất ổn định khí quyển


(Nhắc lại) một số tham số ẩm
Tỉ lệ pha trộn




Đơn vị (kg/kg) hoặc g/kg

Tỷ lệ pha trộn có giá trị từ vài g/kg đến cỡ 20g/kg
Nếu khơng có bốc hơi/ngưng kết, tỷ số xáo trộn của
một phần tử khí bảo toàn.

Độ ẩm riêng


mv
r=
md

mv
r
q=
=
md + mv 1 + r

Do r rất nhỏ, nên q và r có giá trị gần tương đương
nhau


Bài tập




Bài tập1: Một phần tử khí có tỉ lệ pha trộn ẩm là
5.5g/kg và áp suất 1026.8 hPa. Tính sức trương hơi
nước e.
Giải: Sức trương hơi nước/áp suất riêng phần tỉ lệ
với số mol của nước trong hợp phần khơng khí
nv
1
1

1
e=
p=
p=
p=
p
nd
md M w
ε
nd + nv
+1
+1
+1
r
nv
mv M d

r
e=
p
r +ε

Trong đó

ε=

M w 18.02
≈
≈ 0.622
Md

28.96

5.5 ×10 −3
e=
×1026.8 = 9 hPa
−3
5.5 ×10 + 0.622


r
e=
p
r +ε
er + eε = rp
e
e
r =ε
»ε
p- e
p


Áp suất hơi nước bão hịa


Các phát biểu thơng thường:







“Khơng khí đã bão hịa hơi nước”
“Khơng khí khơng thể chứa thêm được hơi
nước”
“Khơng khí nóng chứa được nhiều hơi
nước hơi khơng khí lạnh”

Bản chất của sự bão hịa hơi nước là
gì?


Bản chất của sự bão hịa








Nước bốc hơi vào khơng khí  làm tăng sức trương hơi nước e
Sức trương hơi nước càng lớn  tăng tốc độ ngưng tụ từ
khơng khí vào nước
Q trình bão hịa xảy ra khi tốc độ ngưng tụ=tốc độ bốc hơi,
khi đó e=es
Tốc độ bốc hơi tăng theo nhiệt độ T  es tăng theo T!

Phụ thuộc của áp suất nước bão hịa vào
nhiệt độ
Cơng thức Bolton (1980)
17.67
.67TTc
17
c
243.5.5
TTc c++243

112ee
eess((TTcc)) ==66..112

Chúý,
ý,TTctính
tínhbằng
bằngooCC
Chú
c


Bảng tra cứu áp suất hơi bão hòa (đã làm
tròn)


Điểm sôi


Điểm sôi của chất lỏng là nhiệt độ tại đó áp suất hơi bão hịa bằng
với áp suất mơi trường.

Các bọt khí hình thành
do áp suất hơi bão
hịa vượt quá áp suất
môi trường.


(Nhắc lại) một số tham số ẩm
Tỉ lệ pha trộn bão hòa
mvs ρ vs
es
rs =
=
=
md
ρ d RvT

es
p − es
=ε
Rd T
p − es

es ( T )
rs = ε
p − es ( T )
Tỉ số xáo trộn bão hòa là hàm của p và T
 có thể thể hiện trên giản đồ nhiệt động lực học!

es ( T )

Trong đk khí quyển, es<

p


(Nhắc lại) một số tham số ẩm
Độ ẩm tương đối
r
e
RH ≡ 100 = 100
rs
es

Nhiệt độ điểm sương
Định nghĩa?
“RH giảm 5% thì nhiệt độ điểm sương giảm ~ 1oC”
VD: nhiệt độ 35oC, RH=85%  Td~33oC


Bài tập 2


Một khối khí tại 1000hPa có nhiệt độ 18 oC và tỉ lệ pha trộn ẩm là
6g/kg. Tính (ước lượng) độ ẩm tương đối và nhiệt độ điểm sương
của khối khí.


Giải Bài tập 2




Tại 18oC, es ≈ 20hPa,


 rs=0.622*20/(980) ≈ 0.013 kg/kg =13 g/kg



 RH ≈ 46%.

Độ ẩm điểm sương là nhiệt độ tại đó xảy ra bão hịa


 nhiệt độ có rs=r=6g/kg=0.006kg/kg



Bảng tra cứu
rs  Td ≈ 60oC.006

es =

rs + ε

p=

0.622 + 0.006

× 1000 ≈ 10 hPa

Ẩn nhiệt


Ẩn nhiệt nóng chảy (Lm) là nhiệt lượng cần cung cấp
cho 1 đvkl (1 kg) một chất để chuyển từ trạng thái
rắn sang trạng thái lỏng mà không làm thay đổi nhiệt
độ.





Với nước, tại 0oC và 1atm, Lm=3.34 × 105Jkg-1
Ẩn nhiệt đơng kết là năng lượng giải phóng khi chuyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái rắn

Ẩn hiệt hóa hơi (Lv) là nhiệt lượng cần cung cấp cho
1 đvkl một chất để chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái hơi mà không làm thay đổi nhiệt độ.



Với nước, tại 100oC và 1atm, Lm=2.25 × 106Jkg-1
Ẩn nhiệt ngưng tụ, là năng lượng giải phóng khi chuyển từ
trạng thái hơi sang trạng thái lỏng


Q trình đoạn nhiệt ẩm


Khi một phần tử khí
chưa bão hịa được
nâng lên  q trình
đoạn nhiệt khơ






Nhiệt độ khối khí giảm
(~1K/100m)
Tỉ ẩm r khơng đổi, rs giảm
(theo nhiệt độ)

Khi r=rs, ngưng kết xảy
ra  giải phóng ẩn
nhiệt  Làm giảm tốc
độ giảm nhiệt độ của
phần tử khí

Nhiệt tỏa ra
trong quá trình
ngưng kết
 Γs < Γd
LCL
Γ d ~ 1K/100m

Quá trình đoạn nhiệt ẩm


Γs gọi là gradient đoạn
nhiệt ẩm, có giá trị
~4K/1Km gần mặt đất
và 6-7K/1Km ở khoảng
giữa khí quyển

Nhiệt tỏa ra
trong quá trình
ngưng kết
 Γs < Γd
LCL
Γ d ~ 1K/100m


Q trình đoạn nhiệt giả
RH=100%

RH=100%

(thuận nghịch)

(khơng thuận nghịch)

RH=100%

RH=100%

Q trình đoạn nhiệt ẩm

Quá trình đoạn nhiệt giả


Hiệu ứng Phơn


Hiệu ứng Phơn (foehn/föhn wind ) chỉ việc gió sau khi vượt qua
núi trở nên khơ và nóng. Ở Việt Nam, hiện tượng foehn thường
được dân gian gọi là gió Lào hoặc gió phơn Tây Nam khơ nóng.



Bản chất: quá trình đoạn nhiệt giả


Giản đồ thiên khí (Skew-T Log-p)




Trạng thái của một phần tử khí có thể biểu diễn trên giản đồ p-α,
tuy nhiên các thám sát thường quan trắc các giá trị p-T.
Giản đồ thiên khí (aerological diagram/skew-T log-P)





Trục tung được vẽ theo lnP (gần tuyến tính so với độ cao)
Các đường đẳng T lệch 1 góc 45o.
Một phần tử khí khơ biểu thị bởi 1 điểm (p,T)
Một phần tử khí ẩm biểu thị bởi 2 điểm (p,T) và (p,Td)


Bất ổn định khí quyển có điều kiện


Các đường thể hiện trên giản đồ thiên khí
Tỉ số xáo trộn ẩm bão hồ
Đẳng áp
Đoạn nhiệt ẩm

Đoạn nhiệt khơ

Đoạn nhiệt


Một số ứng dụng của giản đồ thiên khí


Mực ngưng kết nâng (LCL)




Khi một phần tử khí chưa bão hịa được nâng lên, r bảo tồn
nhưng r* giảm vì e*(T) giảm nhanh hơn p.
Bão hòa xảy ra tại LCL khi T = TLCL và r = r*(TLCL, p).

Đẳng nhiệt

LCL
r, θ const.

Tỉ số xáo trộn
bão hịa

Đoạn nhiệt khơ


Bất ổn định loại 2 (bất ổn định có điều
kiện)




Bất ổn định loại 1
thường không gặp
trong thực tế.
Trong trường hợp Γs<
Γ<Γd




Khối khí từ O đến A
(đoạn nhiệt khơ) thì xảy
ra ngưng kết
Nếu khối khí tiếp tục

được nâng lên đến B
(đoạn nhiệt ẩm) thì nhiệt
độ phần từ bắt đầu lớn
hơn so với môi trường 
Bất ổn định!

T giảm chậm hơn MT
T>Ta
 Bất ổn định đối lưu

B
T giảm chậm hơn MT
TT giảm nhanh hơn MT
T
A

O


Bất ổn định loại 2 (bất ổn định có điều
kiện)




Khối khí từ O đến A
(đoạn nhiệt khơ) thì xảy
ra ngưng kết

Nếu khối khí tiếp tục
được nâng lên đến B
(đoạn nhiệt ẩm) thì
nhiệt độ phần từ bắt
đầu lớn hơn so với môi
trường  Bất ổn định!