Участник:Macuser/Равновесный градиент температуры

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Равновесный градиент температуры — значение градиента температуры Γ в случае термического равновесия, при котором так называемые турбулентные потоки тепла, массы и производство энтропии обращаются в ноль.[1][2]. В этом случае — случае равенства потоков теплового излучения во всех направлениях — поток тепла, вызванный неравномерным нагревом вещества (уравнение Фурье) оказывается скомпенсирован и возникает конечный градиент температуры, вообще говоря отличный от адиабатического.[1]

Термодинамическое равновесие в замкнутой системе должно наступить при изотермии (Γ = 0). В открытой системе, или в любой открытой подсистеме замкнутой термодинамической системы обладающей теплопроводностью будет происходить перенос тепла, чему соответствует закон Фурье. Однако, в соответствии с принципами молекулярно-кинетической теории, в жидкости, или газе, находящейся под действием силы тяжести (или иной внешней, например, массовой силы), кроме процессов теплопередачи обусловленных теплопроводностью будет происходить также перераспределение давления, а в месте с ним и массы, вызванное действием этой внешней силы. Этим обусловлено появление при тепловом равновесии адиабатического градиента температуры, зависящим от ускорения свободного падения. Если же, кроме теплопроводности, к процессу переноса тепла подключается конвекция и турбулентные потоки, когда среда находится в состоянии турбулентности, то тепловое равновесие, возможно, наступает при значении градиента температуры отличном от адиабатического, но тоже зависящем от величины ускорения, вызванного действием внешней силы[3][4]. Например, было показано, что при ослаблении требования адиабатичности и замене его на требование политропности системы, в случае слабой турбулентности равновесный градиент температуры отличается от адиабатического на константу, зависящую от показателя политропы.[1]

История

[править | править код]

Дискуссия по этой проблеме началась с критики Й. Лошмидтом работы Л. Больцмана 1876 года (см. в [5],[6]). Несмотря на убедительные доводы сторонников молекулярно-кинетической теории, а также их неоспоримый авторитет, последовательная теория теплопроводности в турбулентной жидкости или газе при наличии внешнего поля не разработана до сих пор. В связи с этим, принимая во внимание наблюдения, в физике атмосферы (при отсутствии бесспорного доказательства) был достигнут консенсус, согласно которому равновесный вертикальный градиент температуры в приземном слое атмосферы должен совпадать с адиабатическим градиентом температуры Γ = — g/Cp ≈ — 9,8 К/км (где g — ускорение свободного падения, Cp — удельная теплоёмкость в изобарном процессе) [7],[8]. Однако, и такая точка зрения тоже плохо согласуется с данными о тепловом балансе земной атмосферы. На это обстоятельство обратил внимание В. Шмидт [9],[10] ещё в 1917 году, в связи с чем, проблему равновесного градиента температуры (возможно, в шутку) климатологи стали называть «парадокс Шмидта». Существование такого парадокса оспаривалось [11], тем не менее, чтобы как-то выйти из возникшего тупика, климатологи были вынуждены принять в качестве равновесного вертикального градиента температуры эмпирическое значение Γ = — 6,0 К/км, в пользу чего у них есть свои доводы [12],[13],[14],[15], тоже заслуживающие внимания. Прямые самолётные измерения теплового потока в атмосфере также указали на отличие равновесного градиента от адиабатического [16].

Замеченные трудности в вопросе о термическом равновесии турбулентного газа, стали порождать сомнения в справедливости второго начала термодинамики и подталкивать к конструированию новых вечных двигателей. Однако, эти усилия, конечно, напрасны.[17]

См. также

[править | править код]

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ 1 2 3 Krigel’ A. M. On the turbulent thermal conductivity of a gas in the field of an external force (англ.) // Technical Physics. — 2014. — November (vol. 59, no. 11). — P. 1718—1719. — ISSN 1063-7842. — doi:10.1134/S1063784214110164. [исправить]
  2. ↑ Метеорологический словарь
  3. ↑ Loschmidt J. Über den Zustand des Wärmegleichgewichtes eines Systems von Körpern mit Rücksicht auf die Schwerkraft // Sitzungsber. Kais. Akad. Wiss. Wien. Math. Naturwies. Classe. 1876.—73.— pp.128—142.
  4. ↑ Launder B. E. On the effects of a gravitational field on the turbulent transport of heat and momentum (англ.) // Journal of Fluid Mechanics. — 1975. — February (vol. 67, no. 03). — P. 569. — ISSN 0022-1120. — doi:10.1017/S002211207500047X. [исправить]
  5. ↑ Эренфест П. «Об одном заблуждении относительно равновесия газа в поле тяжести». В сборнике: Эренфест П. Относительность. Кванты. Статистика.— М.: Наука. 1972.— С. 116—118.
  6. ↑ Опарин Е. Г. О забытой научной дискуссии между Л. Больцманом и Й. Лошмидтом // Научный журнал Русского физического общества.— 1993, № 1—6.— С. 1—14.
  7. ↑ Монин А. С.,Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. Ч. 1.— М.: Наука, 1965.— 640 с.
  8. ↑ Лайхтман Д. Л. Физика пограничного слоя атмосферы.— Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970.— 342 с.
  9. ↑ Schmidt W. Der Massenaustausch bei der ungeordenter Strömung in freier Luft und seine Folgen // Hölder. (In Sitz. Ber. der Akad. Wien, d. Wiss. Math. Nat.— 1917.— Abt. 2.— Bd.126.— H.6.— P. 757—804.)
  10. ↑ Schmidt W. Der Massenaustausch in freier Luft und verwandte Erscheinungenn // (In Probleme der Kosmischen Physik). Hamburg.—1925.—№ 2.— P. 1—51.)
  11. ↑ Монин А. С. О так называемом равновесном градиенте температуры // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана.— 1965.— Т.1, № 6.— С. 645-650.
  12. ↑ Будыко М. И., Юдин М. И. Условия термического равновесия в атмосфере // Доклады АН СССР.— 1946.— Т. 53, № 7.— С. 611-614.
  13. ↑ Юдин М. И. О равновесном градиенте температуры // Известия АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана.— 1966.— Т. 2, № 2.— С. 208—216.
  14. ↑ Будыко М. И.,Юдин М. И. Тепловой обмен поверхности Земли с атмосферой и равновесный градиент температуры // Метеорология и гидрология.— 1948, № 1.— С. 16-29.
  15. ↑ Дроздов О. А. Чем создаётся равновесный термический градиент, отличный от адиабатического // Метеорология и гидрология.— 1966, № 12.— С. 27-29.
  16. ↑ Deardorff J. W. Theoretical expression for the countergradient vertical heat flux // J. Geophys. Res.— 1972.— 77.— No 30.— P. 5900—5904.
  17. ↑ Примеры подобных двигателей приведены, например, в работе В.Г. Горшков, АМ. Макарьева. К.С. Аосев Планетарный парниковый эффект и биотическая устойчивость климата Земли, Известия секции наук о Земле РАЕН, 2001.

Литература

[править | править код]


Категория:Гидродинамика Категория:Неравновесная термодинамика Категория:Метеорология Категория:Физические парадоксы

Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Участник:Macuser/Равновесный_градиент_температуры&oldid=87247218