Я тучка, тучка, тучка...
6/10В приближении адиабатической атмосферы оцените:
высоту \(H\) атмосферы Земли;
высоту \(h_0\) нижней кромки облаков.
Указание: адиабатической называется атмосфера, в которой порции газа, перемещаясь по вертикали без теплообмена, всё время остаются в механическом равновесии.

Примечание: воздух считать идеальным двухатомным газом с молярной массой \(\mu = 29\) г/моль.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаДля высоты атмосферы используйте закон сохранения энергии порции воздуха при подъёме: температура падает линейно с высотой. Нижняя кромка облаков — высота, на которой парциальное давление пара сравнивается с давлением насыщенного пара.
Ответ1) \(H \approx 30\) км; 2) \(h_0 \approx 0{,}43\) км.
РешениеДля порции одного моля воздуха в адиабатическом приближении \(P_1V_1 - P_2V_2 = U_2 - U_1 + \mu g (z_2 - z_1)\), откуда \(c_p\,\Delta T = -\mu g\,\Delta z\). Температура меняется с высотой по закону \[T = T_0 - \frac{\mu g}{c_p} z = T_0 - \frac{2\mu g}{7R} z .\] Высоту атмосферы оценим по высоте, на которой температура обращается в ноль: \[H \approx \frac{7RT_0}{2\mu g} \approx 30~\text{км}.\]
Нижняя кромка облаков — уровень точки росы. Парциальное давление пара убывает с высотой по гидростатическому закону \(\dfrac{\partial P}{\partial z} = -\rho g\). Так как \(h_0 \ll H\), плотность воздуха можно считать постоянной, \(\rho \approx P_0 \mu_{\text{H}_2\text{O}}/(RT_0)\), и \[\frac{P(z)}{P_{\text{н}}(T_0)} \approx \varphi\left(1 - \frac{\mu_{\text{H}_2\text{O}} g z}{RT_0}\right).\] Строим на одном графике зависимости \(P(z)/P_{\text{н}}(T_0)\) и \(P_{\text{н}}(T(z))/P_{\text{н}}(T_0)\) по таблице давления насыщенного пара; абсцисса точки пересечения и есть \(h_0 \approx 0{,}43\) км. На этой высоте парциальное давление пара падает примерно на \(6\%\), а температура — менее чем на \(2\%\), что оправдывает приближения.

Похожие задачи
- Пересчёт по интервалам Савченко, №5.2.1
- Независимость проекций Савченко, №5.2.2
- Функция распределения Максвелла Савченко, №5.2.3
- Водород вместо азота Савченко, №5.2.4
- Отношение чисел молекул Савченко, №5.2.5
- Три проекции сразу Савченко, №5.2.6