绝热冷却背景知识

绝热冷却绝热过程

绝热就是隔绝、阻止热量的传递、散失、对流，使得某个密闭区域内温度或者热量不受外界影响或者外界不能够影响而保持内部自身稳定或者独立发生变化的过程和作用。绝热的作用包括保温和保冷两个方面。

绝热过程（adiabatic process）是指任一气体与外界无热量交换时的状态变化过程，是在和周围环境之间没有热量交换或者没有质量交换的情况下，一个系统的状态的变化。大气层中的许多重要现象都和绝热变化有关。例如，在大气层的下层通常存在着温度随高度而递减，主要就是由于空气绝热混合的结果。导致水蒸汽凝结、云和雨形成的降温作用，主要是由于空气上升时温度下降的结果；晴朗的、干燥的天气通常是与空气下沉引起的增温变干作用有关。上升空气的降温作用和下沉空气的增温作用主要是由于空气的绝热膨胀和绝热压缩的结果。

如果一个受到增温作用或降温作用的系统通过辐射和传导与周围发生热量交换，那么就称之为非绝热过程（diabatic process）。

绝热冷却空气冷却

使空气饱和之一是降低空气容纳水汽的限额，在大气中，主要靠空气的冷却。空气冷却有三种方式：辐射冷却(radiational cooling)、平流冷却(advectional cooling)、绝热冷却(adiabatic cooling) 。

空气从地面上升，在上升过程中气压降低，体积膨胀，如果上升空气与周围没有热量交换，由于膨胀消耗能量，空气温度就要降低，这种温度变化称为绝热冷却。根据计算，在大气中空气每上升100米，因绝热变化会使温度降低1度左右。这种绝热冷却是引起水汽凝结或凝华的最重要的过程，大气中很多水汽凝结物和凝华物如云、雨等大都是由此而形成的。

空气-水蒸气体系的绝热饱和温度称为绝热冷却温度。

绝热冷却，从地面向上，气压迅速递减，原因如下：

(1)地面气压表整个气柱的重力，较高面的气压只代表上面气柱的压力

(2)空气具有压缩性，所以地面附近的空气密度很大，向上递减得很快

由此可见，假设有一块空气基于某种原因而上升，由于周围空气压力较低，它的体积势必要膨胀。为方便讨论，假设气场在升降过程中，不会与外界发生能量的交换，这种过程称为绝热过程(adiabatic process)。当气块因外面压力低而膨胀时，此种抵抗外压力，必须作功而消耗能量。但既然外界没有热量供应，自然只有减低自己的温度了。这就是绝热冷却的原理。

根据计算，气场未饱和前，空气每上升100米，因绝热变化会使温度降低1度左右。我们称它为干绝热直减率(dry adiabatic lapserate)。相反来说，气场下降时，周围压力升高，所以气温亦会升高，我们称为绝热增暖，即是每下降一百米气温会上升一度。

绝热冷却冷却绝热与云

在大气中空气每上升100米，因绝热变化会使温度降低1度左右。在一定温度下，空气容纳水汽有一定限度，达到这个限度就称为“饱和”，温度降低后，空气中可能容纳的水汽量就要降低。因此，原来没有饱和的空气在上升运动中由于绝热冷却可能达到饱和，空气达到饱和之后过剩的水汽便附着在漂浮于空中的凝结核上，形成水滴。当温度低于零摄氏度时，过剩的水汽便会凝结成细小的冰晶。这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、冰晶和雪花组成。一般分为三层：最下面一层温度为0℃以上，由水滴组成；中间温度为0℃至零下20℃，由过冷却水滴、冰晶和雪花组成；最上面一层温度在零下20℃以下，基本由冰晶和雪花组成。

绝热冷却冷却绝热与重力波

大气重力波是因静力稳定大气受到干扰而产生的一种波动。当气块受到扰动离开平衡位置向上移动时发生绝热冷却，在重力作用下回到平衡位置。同样向下移动时发生绝热增温，浮力使其回到平衡位置。这种振动向外转播形成的波动由于恢复力为重力和浮力因此称为重力波，如果考虑科氏力的影响就称为惯性重力波。重力波在暴雨等中尺度对流天气发生发展中可以起到一种触发机制的作用，还可以起到传输能量和动量的作用。

大气中作垂直运动的气块的状态变化通常接近于绝热过程。

当空气块上升过程中，因外界气压逐渐降低，气块体积膨胀，对外作功，在绝热条件下，作功所需的能量，只能由其本身能量来负担，消耗内能而气块温度下降，这种因气块绝热上升而使温度下降的现象，称为“绝热冷却”；

当空气块下降过程中，因外界气压增大，外界对气块作功，在绝热条件下，作功的功，只能用于增加气块的内能，因而气块温度升高，这种因气块下沉而使温度上升的现象，称为“绝热增温”。2100433B

空气的冷热程度实质上是空气内能的大小的表现。空气内能变化既可以是空气与外界的热量交换引起（通过分子热传导、辐射、对流、湍流、潜热转移等方式进行的非绝热变化），也可由外界的压力变化对空气做功，导致空气膨胀或压缩而引起（绝热变化）。

一、空气的绝热变化

空气块在铅直运动中与外界不发生热量交换，也就是无热量输入，也无热量输出，但由于体积的膨胀和收缩而发生的绝热冷却和绝热增温的变化，称为空气的绝热变化。

空气块在做绝热上升和下降过程中，温度变化的辐度因空气块水汽含量不同而异。

1、干绝热直减率

气块绝热升降单位距离（100m）时的温度变化值，称绝热垂直递减率。对于干空气和未饱和的湿空气来说，则称干绝热直减率，以rd表示。≈ 0.98℃/100m

在实际工作中rd=1℃/100m，在干绝热过程中，空气块每上升100m，温度约下降1℃。 rd 与r（气温直减率）的含义是不同的。rd 是干空气在绝热升降过程中气块本身的变温率，它近似于常数；而r是表示周围大气的温度随高度的分布情况。

2、湿绝热直减率：饱和湿空气绝热升降单位距离（100m）时的温度变化值，称为湿绝热直减率，以rm表示。rm不是常数，而是气压和温度的函数，一般要小于rd，其平均值为0.5℃/100。

绝热压缩与绝热膨胀通常由气体压强的变化引起。

绝热压缩发生在气压上升时，这时气体温度也会上升。例如，给自行车打气时，可以感觉到气筒温度上升，这正是因为气体压强上升的足够快到可视为绝热过程的缘故，热量没有逃逸，因而温度上升。

柴油机在压缩冲程时正是靠绝热压缩原理来给燃烧室内的混合气体点火的。

绝热膨胀发生在气压下降时，这时气体温度也会下降。例如，给轮胎放气时，可以明显感觉到放出的气体比较凉，这正是因为气体压强下降的足够快到可视为绝热过程的缘故，气体内能转化为机械能，温度下降。

这些温度的变化量可以用理想气体状态方程精确计算。

绝热过程是系统在和外界无热量交换的条件下进行的过程。实现绝热过程有两种情况：

①用绝热材料制成绝热壁，把系统与外界隔开，就可以近似地实现这一过程。

②使过程快速进行，系统来不及与外界进行显著的热量交换。例如：内燃机中热气体的突然膨胀，

柴油机或压气机中空气的压缩、声波中气体的压缩（稠密）和膨胀（稀疏）等都可近似视为绝热过程。

作为典型例子，下面介绍理想气体准静态绝热过程和理想气体自由膨胀过程（非准静态过程）。

概念解析

湿绝热过程中，气块作绝热上升时，一方面因绝热膨胀气块对外做功消耗内能，使温度降低；同时又因绝热冷却作用，使气块中部分水汽凝结放出潜热，随气块有升温作用，缓和了气块上升的绝热冷却作用。气块下降绝热增温时，气块中携带的水滴蒸发，维持了气块的饱和状态，由于蒸发消耗能量，气块下降时的增温也比干绝热时为少 。

作这种运动的气块的温度变化率称湿绝热直减率（

在湿绝热过程中，气块中的水汽凝结后，可能有两种情况：一种时水汽凝结物仍留在气块内，随同气块作升降运动，这时不论气块上升或下降，温度都按湿绝热直减率而变化，这是与干绝热过程一样的可逆过程。另一种时水汽凝结物的全部或一部分以降水方式脱离气块，此时气块下降时已不再是饱和湿空气，于是气块就按干绝热变化，这是一种不可逆过程。它意味着气块因凝结物的脱离而与外界有热量交换，这种情况称为假绝热过程 。实际大气往往介于两者之间，作上升运动时，两者的气温直减率数值极为接近。

实际上，气块在做铅直运动时都不是绝热的，但是在短时间内，铅直运动的气块与外界空气间的热量交换远小于气块内能的变化，所以可近似看成是绝热的。2100433B