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从热力学分析的基础看诺奖得主真锅淑郎论文关于“地表热容量为0”的假设

已有 1164 次阅读 2022-9-18 15:32 |个人分类:热力学|系统分类:观点评述

从热力学分析的基础看诺奖得主真锅淑郎论文关于“地表热容量为0”的假设

 

真锅淑郎的论文做了“地表热容量为0”的假设。

虽然地表热容量在他们的大气热平衡计算中没有任何实际作用,但如此假设却存在基础性热力学认知错误。事实上,如果一个物体的热容量为0,当有热量输入或输出时,其温度变化将不受控制。

众所周知,地表和大气是工程热力学分析的环境,即,所研究的任何工程对象都处在其周围环境中。为使数据具有可比性,热力学分析必须建立在某一标准环境状态之上。通常,参考环境的标准压力为1bar(或1atm),但标准环境的温度因不同目的而不同。地球表面的平均温度为15°C,但对于大多数热力学分析,标准环境(即参考环境)的温度通常为25°C298.15K)。针对与环境进行物质交换的热力学体系,热力学分析的标准环境还应包括一组标准浓度(标准成分构成)的参考物质。参考物质通常分为三类:大气中的气体成分、岩石圈中的固体物质以及海洋中的离子和非离子物质[Moran, 1998]。这些标准环境条件与实际环境参数的平均值密切相关。

在热力学分析中,要求热力学环境具有不变性,不受所研究对象的影响。也就是说,它应该具有无穷大的热容量,它吸收或释放有限的热量,而不会发生任何温度变化。有时,人们会把这一环境称为热库(能量库)、物质库。在实践中,大型水体如海洋、河流及大气空气可以视为热库,因为它们具有很大的存热能力或质量[Yunus, 2002]

事实上,根据《2020 BP世界能源统计年鉴》,2019年全球化石能源消耗量折合热值4.9234 ×1017kJ。假设这股热量全部被大气吸收,则大气整体温升为

4.9234×1017/(5.26×1018×1.004)≈0.093℃

这里, 5.26×1018kg 1.005 kJkg-1°C-1 分别为地球大气的质量和比热容(Marshall and Plumb, 2007)

这表明大气的热容足够大,因此化石燃料燃烧引起的大气温度变化相当有限。海洋约占地表面积的70%。海水的热容量是大气的1000倍。因此,地表热容量不能被忽略。说到这里,有一个自然的气象学现象值得一提:在寒冷的冬天,只有离地表距离不大的草和叶子的上表面结霜或结露。一个简单的事实是它们的热容量真的非常小。再因为它们是非金属的,所以它们的上表面和下表面之间的导热系数也很小,结果是它们的上表面可以迅速辐射冷却,并吸引水蒸气在其上结霜或结露。而其下表面因地表热辐射的作用,水蒸汽没有结霜或结露的条件。因此,这一自然气象学现象清楚地表明,热容小的物体的上表面更容易冷却,也表明地球表面的热容起着重要作用。

另外,雾凇也是严寒冬季一个特有的自然现象。我们看到的是,水蒸汽凝华在离地表有一定距离的细小枝条上,而粗壮的树干上往往没有,这显然也是因为其热容量很小的缘故。与此同时,地表热辐射的作用甚微。

至此,我们可以清楚地看出,诺奖得主真锅淑郎做“地表热容为零”的假设,应该是热力学认知上的错误,属于没有过心思考的疏忽。

 

 




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