大學物理_溫室效應(yīng)

1、溫室效應(yīng)物理機理前言前言 溫室效應(yīng)（溫室效應(yīng)（EfectoInvernaderoEfectoInvernadero），又），又稱稱“花房效應(yīng)花房效應(yīng)”是指透射陽光的密閉空間由是指透射陽光的密閉空間由于與外界缺乏熱交換而形成的保溫效應(yīng)，就于與外界缺乏熱交換而形成的保溫效應(yīng)，就是太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而是太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖后放出的長波輻射卻被大氣中的二地面增暖后放出的長波輻射卻被大氣中的二氧化碳等物質(zhì)所吸收，從而產(chǎn)生大氣變暖的氧化碳等物質(zhì)所吸收，從而產(chǎn)生大氣變暖的效應(yīng)。效應(yīng)。 近幾十年來，由于人口急劇增加，工業(yè)近幾十年來，由于人口急劇增加，工業(yè)迅猛發(fā)展，呼吸產(chǎn)

2、生的二氧化碳及煤炭、石迅猛發(fā)展，呼吸產(chǎn)生的二氧化碳及煤炭、石油、天然氣燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，遠遠超過油、天然氣燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，遠遠超過了過去的水平。了過去的水平。20062006年底年底20072007年初全球氣年初全球氣溫升高現(xiàn)象在整個社會中引起了強烈的反響，溫升高現(xiàn)象在整個社會中引起了強烈的反響，溫室效應(yīng)增強已使人類的生存環(huán)境質(zhì)量遭受溫室效應(yīng)增強已使人類的生存環(huán)境質(zhì)量遭受嚴重的損害。溫室效應(yīng)導致全球變暖已成為嚴重的損害。溫室效應(yīng)導致全球變暖已成為人類面臨的一個重要而又棘手的熱點問題，人類面臨的一個重要而又棘手的熱點問題，是是2121世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。世紀人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。 這里，

3、我們探索了溫室效應(yīng)與熱學、光這里，我們探索了溫室效應(yīng)與熱學、光學的聯(lián)系，并通過學的聯(lián)系，并通過公式的計算公式的計算，模型的建立模型的建立等方法，等方法，著重證明了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生與溫室著重證明了溫室效應(yīng)的產(chǎn)生與溫室氣體有關(guān)氣體有關(guān)，以及溫室氣體的增加如何使全球以及溫室氣體的增加如何使全球變暖。變暖。 由于水平有限，難免有錯誤與不足，故由于水平有限，難免有錯誤與不足，故希諸者指正。希諸者指正。 大家先來看一組圖片大家先來看一組圖片GO首先首先0 1 2 3 4 30 1 2 3 4 20 1 2 3 4 10 1 2 3 4 PICTURE START0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1

4、 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 “溫室效應(yīng)會毀滅地球”！這是美國前副總統(tǒng)07年諾貝爾獎獲得者戈爾描述的可怖前景。好萊塢的科幻影片后天后天，更讓觀眾身臨其境地體驗了地球末日的恐懼。 觸目驚心的照片成百

5、上千的科學家的研究證明地球變暖是無可爭議的事實； 在這種大氣候下，每個有知識的人都知道全球暖化是真的，而地球變暖的后果就是人類毀滅，這是被科學家證實了的 ，于是我們選擇了溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)這一課題。 目錄熱力學第一定律熱力學第一定律 自然界一切物體都具有能量，它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能量的總和不變。 熱力學熱力學ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.熱力學第二定律熱力學第二定律 克勞修斯表述克勞修斯表

6、述：熱量不能自動地從低溫物體傳給高溫物體。 開爾文表述開爾文表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他的變化。簡簡 釋釋 假定地球與外界（外空和其他星球等）無質(zhì)量交換，并將地球作為一個熱力系。那么，由于地球內(nèi)的所有過程都是不可逆的，因而必然其熵產(chǎn)Sg0。 熵產(chǎn)的本質(zhì)是：有用功損失，且轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（熱力能），這是不可逆的過程。因而即便無溫室效應(yīng)，地球溫度也會逐漸升高的。當然，這與溫室效應(yīng)相比，則要慢得多。證明溫室氣體導致了溫室效應(yīng)證明溫室氣體導致了溫室效應(yīng) 我們認為大氣是一個閉合系統(tǒng)，只有熱量交換，那么大氣的內(nèi)能變化便只有熱傳遞作用，根據(jù)熱力學第一定律dQ=vCvdT，假設(shè)對大氣

7、傳遞的熱能的變化主要是大氣中CO2吸收的熱輻射，并定義“單位熱輻射”為單位時間地面上總的熱輻射平均到單位濃度CO2熱輻射量。同時假定大氣的熱容隨氣溫的變化而變化不大，即為不變。dQdQ=(=(n+dn)a(E+E)-na(E+En+dn)a(E+E)-na(E+E)=)=vCvdTvCvdT “n”為：大氣中的CO2的濃度 “dn”為： CO2濃度的增量 “a”為： CO2吸收熱輻射的系數(shù) “E”為：來自太陽的單位熱輻射 “E”為：人類活動所造成的單位熱輻射 “Cv”為：大氣的等體摩爾熱容那么dQdQ=(=(n+dn)a(E+E+dE)-na(E+En+dn)a(E+E+dE)-na(E+E)

8、=)=vCvdTvCvdT dn包含三方面：dn=dn1+dn2-dn3 （dn1是化石能源燃燒導致的CO2濃度增加，dn2是人口增長導致的CO2濃度增加，dn3是增加的綠色植被導致的CO2減少，其與植被面積成正比）我們認為人類活動的熱輻射隨時間均勻釋放，通過合理利用能源能達到這一條件，則有dE=0,從而dQdQ= =dna(E+Edna(E+E)=)=vCvdTvCvdT因此 dQ=(dn1+dn2-dn3 )a(E+E)=vCvdT結(jié)論影響到溫室氣體的只有溫室氣體濃度的變化模型的建立與計算 CO2濃度的增加如何升高全球氣溫 所有的計算都假設(shè)地球各處都一樣，計算其平均值。公式推導 E+E=(

9、EtS)/n (E為地面每平方米的熱輻射功率，單位是w/）t為時間，S為地球的表面積，n為大氣中CO2的濃度。dQ=dna(E+E)=vCvdTdna(E+E)=vCvdT 數(shù)據(jù)計算：數(shù)據(jù)計算：假設(shè)CO2的溫室效應(yīng)主要發(fā)生在離地面10km的對流層，則有：v=10 x103xS/22.4x10-3;Cp是空氣定壓摩爾比熱容約為1005/29(J/(K mol)，假設(shè)時間尺度是10年，即t=10 x365x24x60 x60秒，而太陽總輻射量為240w/ ,折射的輻射量為103w/ ，因此地球便面熱輻射量為E=137w/ 。忽略人類活動產(chǎn)生的廢熱E。 因此dna( (EtS)/n ) )=vCvd

10、T代入數(shù)據(jù)得：dn/n x 1.36 x 137 x a=dTdn/n x 1.36 x 137 x a=dT 比如說舉個例子，地球在1980年到1997年每年CO2濃度的增加量是0.4%，因此有：dn/n=0.4%，又CO2的吸收輻射特別明顯，對于大氣的熱輻射的吸收率可達70%90%，因此可設(shè)a=80%，于是得： dT=0.4% x 80% x 1.36 x 137=0.6K 即平均氣溫升高0.6K 然而，全球變暖不是一個簡單的熱力學問題，地球不是一個封閉系統(tǒng)，更加不是一個絕熱系統(tǒng)，因此不能用簡單的熱力學系統(tǒng)來考慮問題， 地球?qū)τ谀芰縼碚f，是一個開放系統(tǒng)，地表吸收太陽短波輻射，然后放出紅外長波輻射給大氣，是大氣能量的主要來源，大氣吸收太陽短波輻射和地面長波輻射之后，釋放出大氣長波輻射，其中一部分釋放回太空，一部分返回地面，這就是地球大氣的保溫過程，也就是溫室效應(yīng)。我們還需從光學的角度進行必要的分析?；啬夸浐?釋 在物理學中我們學過在物理學中我們學過 ，所有的帶熱物體，所有的帶熱物體都能以不同的波長放出不同能量的輻射。熾都能以不同的波長放出不同能量的輻射。熾熱的太陽發(fā)出波長較短的高能輻射，涼爽的熱的太陽發(fā)出波長較短的高能輻射，涼爽的地球表面發(fā)出波長較長的低能輻射。地球的地球表面發(fā)出波長較長的低能輻射。地球的大氣層起著溫室玻璃的作用，允許波長較短大氣層起著溫室