《大气湍流与大气扩散》课件：第3-4章.ppt

1、 3 The neutral surface boundary layer 中性近地面边界层中性近地面边界层3.1 Overview of the atmospheric boundary layer 大气边界层概况3.2 Wind distribution in the neutral surface layer 中性近地面层的风分布3.3 Mean flow in the vicinity of the surface 近地面附近的平均流动3.4 Miscellaneous topics 中性近地面层相关问题3.5 Distribution of Passive mean properti

2、es保守量（守恒量）平均值的分布4 The Energy Equations of Turbulence 湍流能量方程 4.1 Energy of the instantaneous state of a fluid 流体瞬时状态的能量 4.2 Work done on the boundary 作用于边界的功 4.3 Heat 热 4.4 The energy equations and energy transformations 能量方程和能量转换 4.5 The second law of thermodynamics 热力学第二定律 4.6 The boussinesq approx

3、imation Boussinesq近似 4.7 Open system 开放系统 4.8 Energy transformations in a turbulent system 湍流系统中能量转换 3 The neutral surface boundary layer 中性近地面边界层中性近地面边界层3.1 Overview of the atmospheric boundary layer 大气边界层概况3.2 Wind distribution in the neutral surface layer 中性近地面层的风分布3.3 Mean flow in the vicinity o

4、f the surface 近地面附近的平均流动3.4 Miscellaneous topics 中性近地面层相关问题3.5 Distribution of Passive mean properties保守量（守恒量）平均值的分布Z自由大气自由大气大气边界层大气边界层1km边界层气象条件及其对空气质量的影响边界层气象条件及其对空气质量的影响天气形势（高压、低压）天气形势（高压、低压）边界层高度（混合层高度）边界层高度（混合层高度）风速大小及变化（湍流）风速大小及变化（湍流）温度随高度变化（逆温）温度随高度变化（逆温）大气扩散能力（通风量）大气扩散能力（通风量）降水（湿清除）降水（湿清除）典型

5、污染日2013年12月28日 大气边界层观测 地基、空基和卫星平台，三者互为补充，不可取代，地基观地基、空基和卫星平台，三者互为补充，不可取代，地基观测仍将是长期监测和研究的基本方式。测仍将是长期监测和研究的基本方式。 珠三角城市群珠三角城市群 大气边界层综合观测大气边界层综合观测 清远清远番禺番禺新垦新垦 图例 低空探空、 04，06测风站 自动气象站 常规气象站 常规高空站 监测超级站 08实验点13实验点广州后花园广州后花园省监测中心站省监测中心站香港香港 A 番禺区气象局番禺区气象局边界层气象边界层气象测点测点 新垦基线测风及低空探新垦基线测风及低空探空空B点A 点 小球基线测风低空探

6、空2014年10月边界层观测实验第5次珠三角边界层观测实验 2016边界层观测试验布点示意图第三章要点第三章要点4 The Energy Equations of Turbulence 湍流能量方程 4.1 Energy of the instantaneous state of a fluid 流体瞬时状态的能量 4.2 Work done on the boundary 作用于边界的功 4.3 Heat 热 4.4 The energy equations and energy transformations 能量方程和能量转换 4.5 The second law of thermody

7、namics 热力学第二定律 4.6 The boussinesq approximation Boussinesq近似 4.7 Open system 开放系统 4.8 Energy transformations in a turbulent system 湍流系统中能量转换 热力学第零定律热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。 热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。 热力学中以热平衡概念为基础，对温度作出定义的定律通常表述为：与第三个系统处于热平衡状态的两

8、个系统之间，必定处于热平衡状态。 图中A、B、C为3个质量和组成固定，且与外界完全隔绝的热力系统。将其中的B、C用绝热壁隔开，同时使它们分别与A发生热接触。待A与B和A与C都达到热平衡时，再使B与C发生热接触。这时B和C的热力状态不再变化，这表明它们之间在热性质方面也已达到平衡。 第零定律表明，一切互为热平衡的系统具有一个数值上相等的共同的宏观性质温度。 温度计所以能够测定物体温度正是依据这个原理。 热力学第一定律热力学第一定律 基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表

9、现。热力学的基本定律之一。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。 根据普遍的能量守恒定律，系统由初态经过任意过程到达终态后，内能的增量U应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差， 即 U UUQA或QUA 这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为UQAZ。当然，上述U、A、Q、Z均可正可负。对于无限小

10、过程，热力学第一定律的微分表达式为 dQdUdA 因U是态函数，dU是全微分；Q、A是过程量，dQ和dA只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。又因U或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。 热力学第二定律热力学第二定律 热力学第二定律热力学第二定律是热力学的基本定律之一。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性不可逆性的经验总结。 一切涉及热现象的实际宏观过程都是不可逆过程。 机械运动、电磁运动中的各种不涉及热现象的过程都是可逆的，可以正向进行，也可以逆向进行，逆过程的每一步都与正过程相同，只是次序相反。 但是，功变热量、

11、热传导、自由膨胀等涉及热现象的过程却都不能自动地逆向进行，使系统和外界完全复原。 热机把热变为功，热力学第一定律断言其效率不可能大于1，但能否接近或达到100呢？ 换言之，物体的机械能可以通过摩擦、阻尼、内耗等方式自发地全部转化为系统的内能；反之，系统的内能能否自发地转化为机械能而不产生其他影响呢？ 卡诺定理指出，这是不可能的 ，因为存在着某种理论上的限制。 尽管热量和功都是传递的能量，都是过程量，可按热功当量换算；但也有重要的区别，作功是通过系统整体的宏观位移实现的，传热则是通过组成系统的大量分子的无规则热运动和相互之间的作用实现的。 热功转换是系统内分子无规则热运动能量与系统有规则整体运动

12、能量之间的转换。这种转换不仅在总量上要守恒以满足热力学第一定律，而且还必须在转换的方向和限度上受到限制。这正是热运动区别于其他运动形式的特殊本质。热力学第二定律就是这一特征的概括。 热力学第二定律有多种表述方式，常用的是以下两种 。开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。 这两种表述分别揭示了热功转换过程和热传导过程的不可逆性。可以证明两种表述完全等价 。 各种不可逆过程具有深刻的内在联系。可以选用任何一种特殊的不可逆过程来表述普遍的规律。无论采用何种表述，热力学第二定律的实质是指明，在一切

13、涉及热现象的实际宏观过程中，能量转换或传递的方向、条件和限度。态函数熵为热力学第二定律提供了定量表述，熵的微观含义揭示了热力学第二定律的微观本质和统计意义。 熵熵 entropy 熵是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。 是热力学中表征物质状态的参量之一,通常用符号S表示。 在经典热力学中，可用增量定义为 dS(dQ/T) ， 式中 T为物质的热力学温度; dQ为熵增过程中加入物质的热量； 下标“”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。 若过程是不可逆的,则dS(dQ/T) 。 单位质量物质的熵称为比熵,记为s。 热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下

14、述表述方式： 、热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化； 、功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功; 、在孤立系统中,实际发生的过程,总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。 摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。 热量dQ由高温(T1)物体传至低温(T2)物体,高温物体的熵减少dS1=dQ/T1,低温物体的熵增加dS2=dQ/T2,把两个物体合起来当成一个系统来看,熵的变化是 dSdS2dS10，即熵是增加的。 大气热力学（2）大气绝热过程 实际中大气中的变化是非绝热变化， 但计算时我们近似认为是绝热变化（气块在大气中的

15、运动） 。 原因有三：空气的导热率较小，变化慢；气块大气中运动很快；气压变化很大。 大气的绝热方程： 绝热：0Q，式变为： 两边积分，得 即有： 因 CP - CV = R 又 CP/CV = K，对于空气 K=1.404 于是得大气绝热方程： 1212lnlnPPCRTTPPdPCRTdTPPCRPPTT1212288. 01211212PPPPTTKK（3）温度层结日变化 夜里 早上 t H H t H t H t H t H t 上午 中午 下午 夜里 大气环境的各种状态： （平均状态） =d = 1/100m （干绝热状态） = 0 （等温状态） d （超绝热状态） t H dZdT 讨论 第四章 湍流能量方程 4.1流体瞬时状态的能量 4.2作用于边界的功 4.3热 4.4能量方程和能量转换 4.5热力学第二定律 4.6Boussinesq近似 4.7开放系统 4.8湍流系统中能量转换