絕熱冷卻大氣現(xiàn)象

絕熱冷卻冷卻絕熱與云

在大氣中空氣每上升100米，因絕熱變化會(huì)使溫度降低1度左右。在一定溫度下，空氣容納水汽有一定限度，達(dá)到這個(gè)限度就稱為“飽和”，溫度降低后，空氣中可能容納的水汽量就要降低。因此，原來(lái)沒(méi)有飽和的空氣在上升運(yùn)動(dòng)中由于絕熱冷卻可能達(dá)到飽和，空氣達(dá)到飽和之后過(guò)剩的水汽便附著在漂浮于空中的凝結(jié)核上，形成水滴。當(dāng)溫度低于零攝氏度時(shí)，過(guò)剩的水汽便會(huì)凝結(jié)成細(xì)小的冰晶。這些水滴和冰晶聚集在一起，漂浮于空中便成了云。

冰雹云是由水滴、冰晶和雪花組成。一般分為三層：最下面一層溫度為0℃以上，由水滴組成；中間溫度為0℃至零下20℃，由過(guò)冷卻水滴、冰晶和雪花組成；最上面一層溫度在零下20℃以下，基本由冰晶和雪花組成。

絕熱冷卻冷卻絕熱與重力波

大氣重力波是因靜力穩(wěn)定大氣受到干擾而產(chǎn)生的一種波動(dòng)。當(dāng)氣塊受到擾動(dòng)離開(kāi)平衡位置向上移動(dòng)時(shí)發(fā)生絕熱冷卻，在重力作用下回到平衡位置。同樣向下移動(dòng)時(shí)發(fā)生絕熱增溫，浮力使其回到平衡位置。這種振動(dòng)向外轉(zhuǎn)播形成的波動(dòng)由于恢復(fù)力為重力和浮力因此稱為重力波，如果考慮科氏力的影響就稱為慣性重力波。重力波在暴雨等中尺度對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展中可以起到一種觸發(fā)機(jī)制的作用，還可以起到傳輸能量和動(dòng)量的作用。

絕熱冷卻，從地面向上，氣壓迅速遞減，原因如下：

(1)地面氣壓表整個(gè)氣柱的重力，較高面的氣壓只代表上面氣柱的壓力

(2)空氣具有壓縮性，所以地面附近的空氣密度很大，向上遞減得很快

由此可見(jiàn)，假設(shè)有一塊空氣基于某種原因而上升，由于周圍空氣壓力較低，它的體積勢(shì)必要膨脹。為方便討論，假設(shè)氣場(chǎng)在升降過(guò)程中，不會(huì)與外界發(fā)生能量的交換，這種過(guò)程稱為絕熱過(guò)程(adiabatic process)。當(dāng)氣塊因外面壓力低而膨脹時(shí)，此種抵抗外壓力，必須作功而消耗能量。但既然外界沒(méi)有熱量供應(yīng)，自然只有減低自己的溫度了。這就是絕熱冷卻的原理。

根據(jù)計(jì)算，氣場(chǎng)未飽和前，空氣每上升100米，因絕熱變化會(huì)使溫度降低1度左右。我們稱它為干絕熱直減率(dry adiabatic lapserate)。相反來(lái)說(shuō)，氣場(chǎng)下降時(shí)，周圍壓力升高，所以氣溫亦會(huì)升高，我們稱為絕熱增暖，即是每下降一百米氣溫會(huì)上升一度。

絕熱冷卻絕熱過(guò)程

絕熱就是隔絕、阻止熱量的傳遞、散失、對(duì)流，使得某個(gè)密閉區(qū)域內(nèi)溫度或者熱量不受外界影響或者外界不能夠影響而保持內(nèi)部自身穩(wěn)定或者獨(dú)立發(fā)生變化的過(guò)程和作用。絕熱的作用包括保溫和保冷兩個(gè)方面。

絕熱過(guò)程（adiabatic process）是指任一氣體與外界無(wú)熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，是在和周圍環(huán)境之間沒(méi)有熱量交換或者沒(méi)有質(zhì)量交換的情況下，一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)的變化。大氣層中的許多重要現(xiàn)象都和絕熱變化有關(guān)。例如，在大氣層的下層通常存在著溫度隨高度而遞減，主要就是由于空氣絕熱混合的結(jié)果。導(dǎo)致水蒸汽凝結(jié)、云和雨形成的降溫作用，主要是由于空氣上升時(shí)溫度下降的結(jié)果；晴朗的、干燥的天氣通常是與空氣下沉引起的增溫變干作用有關(guān)。上升空氣的降溫作用和下沉空氣的增溫作用主要是由于空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結(jié)果。

如果一個(gè)受到增溫作用或降溫作用的系統(tǒng)通過(guò)輻射和傳導(dǎo)與周圍發(fā)生熱量交換，那么就稱之為非絕熱過(guò)程（diabatic process）。

絕熱冷卻空氣冷卻

使空氣飽和之一是降低空氣容納水汽的限額，在大氣中，主要靠空氣的冷卻。空氣冷卻有三種方式：輻射冷卻(radiational cooling)、平流冷卻(advectional cooling)、絕熱冷卻(adiabatic cooling) 。

空氣從地面上升，在上升過(guò)程中氣壓降低，體積膨脹，如果上升空氣與周圍沒(méi)有熱量交換，由于膨脹消耗能量，空氣溫度就要降低，這種溫度變化稱為絕熱冷卻。根據(jù)計(jì)算，在大氣中空氣每上升100米，因絕熱變化會(huì)使溫度降低1度左右。這種絕熱冷卻是引起水汽凝結(jié)或凝華的最重要的過(guò)程，大氣中很多水汽凝結(jié)物和凝華物如云、雨等大都是由此而形成的。

空氣-水蒸氣體系的絕熱飽和溫度稱為絕熱冷卻溫度。

大氣中作垂直運(yùn)動(dòng)的氣塊的狀態(tài)變化通常接近于絕熱過(guò)程。

當(dāng)空氣塊上升過(guò)程中，因外界氣壓逐漸降低，氣塊體積膨脹，對(duì)外作功，在絕熱條件下，作功所需的能量，只能由其本身能量來(lái)負(fù)擔(dān)，消耗內(nèi)能而氣塊溫度下降，這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為“絕熱冷卻”；

當(dāng)空氣塊下降過(guò)程中，因外界氣壓增大，外界對(duì)氣塊作功，在絕熱條件下，作功的功，只能用于增加氣塊的內(nèi)能，因而氣塊溫度升高，這種因氣塊下沉而使溫度上升的現(xiàn)象，稱為“絕熱增溫”。2100433B

空氣的冷熱程度實(shí)質(zhì)上是空氣內(nèi)能的大小的表現(xiàn)?？諝鈨?nèi)能變化既可以是空氣與外界的熱量交換引起（通過(guò)分子熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流、湍流、潛熱轉(zhuǎn)移等方式進(jìn)行的非絕熱變化），也可由外界的壓力變化對(duì)空氣做功，導(dǎo)致空氣膨脹或壓縮而引起（絕熱變化）。

一、空氣的絕熱變化

空氣塊在鉛直運(yùn)動(dòng)中與外界不發(fā)生熱量交換，也就是無(wú)熱量輸入，也無(wú)熱量輸出，但由于體積的膨脹和收縮而發(fā)生的絕熱冷卻和絕熱增溫的變化，稱為空氣的絕熱變化。

空氣塊在做絕熱上升和下降過(guò)程中，溫度變化的輻度因空氣塊水汽含量不同而異。

1、干絕熱直減率

氣塊絕熱升降單位距離（100m）時(shí)的溫度變化值，稱絕熱垂直遞減率。對(duì)于干空氣和未飽和的濕空氣來(lái)說(shuō)，則稱干絕熱直減率，以rd表示?！?0.98℃/100m

在實(shí)際工作中rd=1℃/100m，在干絕熱過(guò)程中，空氣塊每上升100m，溫度約下降1℃。 rd 與r（氣溫直減率）的含義是不同的。rd 是干空氣在絕熱升降過(guò)程中氣塊本身的變溫率，它近似于常數(shù)；而r是表示周圍大氣的溫度隨高度的分布情況。

2、濕絕熱直減率：飽和濕空氣絕熱升降單位距離（100m）時(shí)的溫度變化值，稱為濕絕熱直減率，以rm表示。rm不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù)，一般要小于rd，其平均值為0.5℃/100。

絕熱壓縮與絕熱膨脹通常由氣體壓強(qiáng)的變化引起。

絕熱壓縮發(fā)生在氣壓上升時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)上升。例如，給自行車打氣時(shí)，可以感覺(jué)到氣筒溫度上升，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)上升的足夠快到可視為絕熱過(guò)程的緣故，熱量沒(méi)有逃逸，因而溫度上升。

柴油機(jī)在壓縮沖程時(shí)正是靠絕熱壓縮原理來(lái)給燃燒室內(nèi)的混合氣體點(diǎn)火的。

絕熱膨脹發(fā)生在氣壓下降時(shí)，這時(shí)氣體溫度也會(huì)下降。例如，給輪胎放氣時(shí)，可以明顯感覺(jué)到放出的氣體比較涼，這正是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)下降的足夠快到可視為絕熱過(guò)程的緣故，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，溫度下降。

這些溫度的變化量可以用理想氣體狀態(tài)方程精確計(jì)算。

絕熱過(guò)程是系統(tǒng)在和外界無(wú)熱量交換的條件下進(jìn)行的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)絕熱過(guò)程有兩種情況：

①用絕熱材料制成絕熱壁，把系統(tǒng)與外界隔開(kāi)，就可以近似地實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

②使過(guò)程快速進(jìn)行，系統(tǒng)來(lái)不及與外界進(jìn)行顯著的熱量交換。例如：內(nèi)燃機(jī)中熱氣體的突然膨脹，

柴油機(jī)或壓氣機(jī)中空氣的壓縮、聲波中氣體的壓縮（稠密）和膨脹（稀疏）等都可近似視為絕熱過(guò)程。

作為典型例子，下面介紹理想氣體準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程和理想氣體自由膨脹過(guò)程（非準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程）。

概念解析

濕絕熱過(guò)程中，氣塊作絕熱上升時(shí)，一方面因絕熱膨脹氣塊對(duì)外做功消耗內(nèi)能，使溫度降低；同時(shí)又因絕熱冷卻作用，使氣塊中部分水汽凝結(jié)放出潛熱，隨氣塊有升溫作用，緩和了氣塊上升的絕熱冷卻作用。氣塊下降絕熱增溫時(shí)，氣塊中攜帶的水滴蒸發(fā)，維持了氣塊的飽和狀態(tài)，由于蒸發(fā)消耗能量，氣塊下降時(shí)的增溫也比干絕熱時(shí)為少 。

作這種運(yùn)動(dòng)的氣塊的溫度變化率稱濕絕熱直減率（

在濕絕熱過(guò)程中，氣塊中的水汽凝結(jié)后，可能有兩種情況：一種時(shí)水汽凝結(jié)物仍留在氣塊內(nèi)，隨同氣塊作升降運(yùn)動(dòng)，這時(shí)不論氣塊上升或下降，溫度都按濕絕熱直減率而變化，這是與干絕熱過(guò)程一樣的可逆過(guò)程。另一種時(shí)水汽凝結(jié)物的全部或一部分以降水方式脫離氣塊，此時(shí)氣塊下降時(shí)已不再是飽和濕空氣，于是氣塊就按干絕熱變化，這是一種不可逆過(guò)程。它意味著氣塊因凝結(jié)物的脫離而與外界有熱量交換，這種情況稱為假絕熱過(guò)程 。實(shí)際大氣往往介于兩者之間，作上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者的氣溫直減率數(shù)值極為接近。

實(shí)際上，氣塊在做鉛直運(yùn)動(dòng)時(shí)都不是絕熱的，但是在短時(shí)間內(nèi)，鉛直運(yùn)動(dòng)的氣塊與外界空氣間的熱量交換遠(yuǎn)小于氣塊內(nèi)能的變化，所以可近似看成是絕熱的。2100433B