Bol. 2: Convección Atmosférica y Nubes

Bol. 2: Convección
Atmosférica y Nubes
Por equilibrio radiativo no podemos explicar
el perfil observado de temperatura en
troposfera
La troposfera es calentada en gran parte por convección lo que realiza
un transporte de calor hacia arriba.
CONVECCION
Termodinámica
• El link entre la circulación y la
transferencia de calor latente, sensible y
radiación entre la superficie y la atmósfera
es termodinámica.
• Termodinámica trata las transformaciones
internas de la energía de un sistema y el
intercambio de energía del mismo con el
entorno.
TERMODINAMICA CLASICA
Estudio macroscópico de los sistemas y sus interacciones bajo
condiciones de estados estables (independientes del tiempo).
•
SISTEMA TERMODINAMICO: región del espacio que contiene
materia con ciertas propiedades internas uniformes (P, T, etc). (No
existe Grad. de T ni Grad P).
•
ESTADO DE EQUILIBRIO: es independiente del tiempo y además
es estable bajo pequeñas perturbaciones.
•
Definición “ENTORNO”: todo lo que se encuentra fuera del sistema.
•
Sistema CERRADO: No hay intercambio de masa con el entorno
•
Sistema ABIERTO: hay intercambio de masa con el medio
•
•
Si un sistema finito entra en contacto con el entorno (paredes
diatérmicas) el sistema + pequeño ajustará sus valores (P, T, V,
etc) a nuevos valores, mientras que el entorno NO cambia
apreciablemente su estado.
PROCESOS Cuasi-ESTATICOS-Reversibles: Secuencia de
estados de equilibrio infinitesimal. Si a cada paso infinitesimal se
puede revertir la dirección volviendo al estado inicial=reversible.
•
Procesos Irreversibles: El sistema pasa de 1 estado a otro por un
camino que no es secuencia de estados termodinámicos.
•
Procesos reversibles NO ocurren en la naturaleza, entonces para
que estudiarlos?: 1) Los irreversibles son casi imposibles de tratar
teóricamente, 2) La experiencia muestra que realizando
aproximaciones a procesos cuasi-estáticos (que si ocurren)
funciona razonablemente bien.
Equilibrio hidrostático
P( z ) =
∞
∫
z
ρ gdz
Ecuación de Estado del Aire Seco
pV = nRT
R= constante universal de los gases= 8,314 J/mol ºK
R*= R / M*
M*=m* / 1000
md= 28.96 g/ mol
mv= 18.05 g/mol
masas moleculares
Definición de Aire Seco: mezcla gaseosa formada unicamente por los gases
permanentes del aire, N2, O2 y Ar. Suponemos que el aire seco se comporta como
gas ideal
pdα d = RdT
Rd = constante de los gases para
el aire seco= 287 J/ºK kg
ECUACIÓN DE ESTADO PARA EL VAPOR DE AGUA
eα v = RvT
Ecuación de estado para el vapor de agua
e = presión de vapor
αv = volumen específico del vapor de agua
Rv = constante de los gases para el vapor de agua= 461.5 J/kg K
Rd / Rv = Mv/Md= ε = 0.622
El peso del aire hùmedo
• Masa molecular media del aire seco:
gas
m
%
mass of the gas mixture
-------------------------------------------N2
28
78%
28x78/100+32x21/100=28.6
O2
32
21%
• Masa molecular media del aire hùmedo:
gas
m
%
mass of the gas mixture
--------------------------------------------Dry air 28.6
90%
28.6x90/100+18x10/100=27.5
H2O
18
10%
•
Aire hùmedo es màs liviano y menos denso que el aire seco a igual T.
•
Aire hùmedo se eleva màs ràpido. Evaporacion aumenta la convecciòn en
la atmosfera.
Primera Ley Termodinámica
• El calor es una forma más de energía
• En el universo, la energía se transfiere o
se transforma de un tipo a otro de energía.
dU=dQ-dW
dW=pdV , dQ=mcdT
dq= dU+pdV
Calor Específico
•
Cv = (dq/dT)v
Cp = (dq/dt)p
Cp > Cv
•
Para un gas su calor específico
no es constante, ya que su valor
depende del trabajo
intercambiado entre el sistema y
el entorno.
Si consideramos un proceso a
volumen constante (dW=0):
Cv calor específico a volumen
constante
• Si consideramos un proceso a
P=cte, parte de la energía
suministrada se utiliza para
realizar trabajo y el resto para
aumentar la T:
Aire Seco:
Cp calor específico a presión
Cp= 1004.78 J/kg K
constante
Cv=
717.67 J/kg K
RELACION DE MAYER: Cp – Cv = Rd
Energía interna
•
dU = cv dT
•
•
La suma de la energía que poseen
todas y cada una de las partículas que
lo constituyen.
La energía interna de un sistema no se
mide sino únicamente sus variaciones.
Joule demostró empiricamente
(mediados S XIX) que la U de un gas
ideal solo depende de la T y de la masa
del sistema.
La 1ra. Ley de la Termodinámica la podemos escribir como:
dq= cv dT + p dV
dq = Cp dT - VdP
En atmósfera esta forma no es muy
Útil ya que V no es una vble que se
Pueda medir.
Procesos adiabáticos
•
Proceso Adiabático: El sistema
cambia su estado físico, sin
intercambiar calor con el
medio (dq = 0)
Parcela de aire
• Se considera una parcela de aire de dimensiones
infinitesimales en la que se asume que:
• Aislada térmicamente de su entorno, entonces su T
cambia adiabaticamente cuando asciende o desciende,
encontrándose siempre a igual P que su entorno, el que
se encuentra en equilibrio hidrostático.
• Se mueve lo suficientemente lento , de tal manera que
su energía cinética macroscópica es una fracción
despreciable de su energía total.
Temperatura Potencial (Ɵ)
La temperatura potencial Theta (θ) representa la temperatura que una parcela de aire
seco a una presión p y temperatura T tendría si fuera comprimida o expandida
adiabáticamente hasta una presión de referencia po, normalmente 1000 hPa.
 1000 

θ = T 
 p 
R
cp
Donde R≈Rd = 287 J/kg ºK, cp≈cpd = 1004 J/kg ºK entonces R/cp = 0.286
La temperatura potencial es una cantidad conservativa para una parcela de aire que
Se mueve en una atmósfera bajo condiciones adiabáticas. Dado que los procesos
Atmosféricos son casi siempre muy cercanos a los adiabáticos, la Ɵ es un parametro
Muy útil in la termodinámica atmosférica.