10. Газові закони в атмосфері. (!)

Газ (нід. gas, від грец. chaos — хаос) — один із агрегатних станів речовини, для якого характерні великі відстані між частинками (молекулами, атомами, іонами) порівняно з твердим чи рідинним станами, слабка міжмолекулярна взаємодія, невпорядкованість структури, а середня кінетична енергія хаотичного руху частинок набагато більша за енергію взаємодії між ними. Характеристичною властивістю газу є те, що він здатний вільно поширюватися в усьому доступному для нього просторі[1], рівномірно заповнюючи його. На відміну від рідини та твердого тіла газ не утворює поверхні. Характерним прикладом газу є повітря. Газами називають також хімічні речовини, які перебувають в газоподібному стані за нормальних умов. В цьому сенсі повітря складається з кількох газів — азоту, кисню, діоксиду вуглецю, аргону та інших.

11. Елементи термодинаміки в атмосфері.

Термодинáміка — розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову. Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру.

Адіаба́тний проце́с (грец. αδιαβατος — неперехідний) — в термодинаміці зміна стану тіла без обміну теплом з навколишнім середовищем. Його можна здійснити, проводячи стискання чи розширення тіла (наприклад, газу) дуже швидко. Так, при поширенні звукових хвиль у повітрі чи іншому тілі, у місцях згущення частинок температура підвищується, а в місцях розрідження — знижується. За дуже малий період коливання не відбувається помітного обміну теплом між місцями згущення і розрідження. Під час адіабатного стискування тіла внутрішня енергія його збільшується, а при адіабатичному розширенні — зменшується. Виконана робота при цьому дорівнює за величиною і протилежна за знаком зміні внутрішньої енергії системи.

В атмосфері:

Адіабатичне розширення потоку нагрітого повітря і ненасиченої пари з нижніх до верхніх шарів атмосфери є основною причиною зниження потоку, конденсації водяної пари та утворення хмар. При опусканні повітряних мас відбувається зворотний адіабатичний процес, внаслідок якого температура підвищується. На адіабатичне нагрівання й охолодження повітря в атмосфері накладаються ще й теплові ефекти, спричинювані тепловим випромінюванням, теплопровідністю, конвекцією, а також випаровуванням та конденсацією. В сухому та ненасиченому повітрі зниження чи підвищення температури на кожні 100 м дорівнює 1,0 °C. У повітрі, насиченому водяною парою — приблизно 0,5 °C.

12. Розподіл газів в полі Больцмана. (!)

Розпо́діл Ма́ксвелла — Бо́льцмана визначає ймовірність того, що частинка ідеального газу перебуває в стані з певною енергією. Ймовірність того, що частинка перебуває в стані з енергією \varepsilon_k згідно з розподілом Больцмана визначається формулою:

n_k = e^{(\mu-\varepsilon_k)/k_B T} = Ae^{(-\varepsilon_k)/k_B T},

де μ — хімічний потенціал, T — температура, kB — стала Больцмана,

A=e^{(\mu)/k_B T} — параметр виродження.

Хімічний потенціал μ визначається з умови

\sum_k n_k = 1,

де N — число частинок.

Розподіл Больцмана справедливий тільки в тих випадках, коли n_k \ll 1 . Ця умова реалізується при високих температурах.