把空气由一个大气压压缩到15个大气压,需要做多少功?

把空气由一个大气压压缩到15个大气压,需要做多少功?
把空气由一个大气压压缩到15个大气压,需要做多少功?

把空气由一个大气压压缩到15个大气压,需要做多少功?
1 大气压的存在已为人们所熟悉,有关知识已成为小学、初中教科书中必不可少的内容.早在300多年前意大利科学家托里拆利首先测得了大气压的数值,迄今在气象台站所使用的水银气压表就是托里拆利发明的.
根据托里拆利实验,大气压强(P)可以由水银气压表中水银柱的高度(h汞)来量度,其换算公式为
p=ρ汞gh汞
ρ汞是水银的密度,g是重力加速度.
大气压强还可以通过另一种方式来表示
或 p=ρRT
常数,T为空气的热力学温度,上式称为空气的状态方程它表明了空气的压强、密度和热力学温度之间的关系.
空气是一种混合气体.根据混合气体的分压定律,大气压强也可以分解为干空气(氮、氧、氩等)的分压强(p干)与水汽的分压强(e)之和,即p=p干+e.由于空气中的水汽含量有限(其变化范围在0～4％之间),因此p干》e.水汽压是空气的基本湿度参量之一.
2 根据无数次的测量和大量资料得知,大气压强是随着不同高度、不同地点和不同时间而变化的.不过,这些变化并不是由于空气湿度的变化引起的,而是由于地球引力、大气环流(环绕地球永不停息的大气运动称为大气环流)、自然地理条件(纬度、海陆分布及地形等)和大气自身性质(大气具有可压缩性、流动性和连续性)等动力和热力因素所造成的.换句话说,空气中水汽含量的增减对气压的变化甚微.空气湿度增大的时候,气压可能升高,也可能降低；湿度减小,气压也可变高或变低.下面对大气压强的变化做一些简要分析,以供参考.
2．1 大气压强随高度的变化
简单地说,由于大气压强在数值上等于单位面积上竖直大气柱的重量,因此,离开地面越高,大气层的厚度就越薄,大气柱就越短,大气压强就会越小.这早已被帕斯卡和他的朋友于1648年所证实.说得确切一些是由于地球引力的作用和大气的可压缩性,随着高度的增加,空气越来越稀薄,其密度越来越小,温度也不断降低.根据状态方程,空气密度越小、温度越低,大气压强就越小.在一般情况下,大气压强随高度的增加呈指数规律减小.
在实际工作中,经常用单位气压高度差(h)来表示气压随着高度增加而降低的快慢程度
p为气压,单位用百帕,a=1／273,t表示以摄氏度为单位的气温值.由此可以看出,在气温相同的情况下,气压越高,单位气压高度差就越小,气压随高度的增加降低得就越快；在气压相同的情况下,气温越高,单位气压高度差越大,气压随高度的增加降低得就越慢.当海拔高度较低,且要求精度不太高的情况下,可以用单位气压高度差来计算气压或高度.计算时一般采用上、下两点的气压和气温的平均值.比较精确的压高公式为
式中z2—z1为上、下两点的高度差,tm为z1、z2间气温的平均值,pl、p2分别为z1、z2高度上的气压值.飞机上的高度表就是根据上式,按照标准大气温度随高度的变化关系,应用空盒气压表改制而成的(将气压刻度改为高度刻度).
2．2 大气压强沿水平方向的变化
通常大气压强在水平方向上的分布是不均匀的(因此使空气受到一个由高压指向低压的净压力——水平气压梯度力,从而引起了空气的水平运动).把空间气压相同的各点连在一起,就组成了一张空间等压面.等压面的形状是起伏不平的,有的地方凸出,有的地方下凹.凸出的地方气压就比周围高,下凹的地方气压就比周围低.在海平面气压分市图上是用等压线(气压相等的各点的连线)来表示气压分布特征的.等压线表示的各种高、低气压区域称为气压系统.结合等压面的空间形状,可以把气压系统分为：高气压(高压)、低气压(低压)、高压脊(脊)、低压槽(槽)、鞍形气压场(鞍)等(如图).
在低压区,由于地表的摩擦以及地球自转所产生的地转偏向力作用,空气沿逆时针方向向中心区辐合(因此低压又称为气旋),使低压中心附近出现上升气流,将地面附近及低层大气的大量水汽和凝结核向高空输送；由于上升空气的膨胀冷却作用使水汽发生凝结而生成云.因此低压区多为阴雨天气.在高压区,空气沿顺时针方向由中心区向四周辐散(高压又称为反气旋),使高压中心附近出现下沉气流,因此高压区多为晴朗天气.
由多年平均的海平面气压分布可以看出：在赤道附近存在一个低压区,称为赤道低压带；由赤道分别向南向北,气压值逐渐升高,至南北纬度30°附近,气压达到最高值,此高压区称为副热带高压带：由此继续向高纬,气压又逐渐降低,到南北两半球的60°附近,气压降至最低,称为副极地低压带；再继续向南、北两极,气压又逐渐升高,在极地附近为高压区,称为极地高压.这种气压的带状分布是由于太阳辐射沿纬度的带状分布以及地球自转等因素而形成的.
由于地表的非均一性(纬度、海陆分布及地形等),在水平方向热力和动力作用的差异是很复杂的,因此,细致分析月平均海平面气压分布图可以看出,气压并非严格呈纬向的带状分布,而是呈现许多闭合的高、低压系统,即所谓大气活动中心.这些大气活动中心有的常年存在,称为永久性大气活动中心；有的有显著的季节性变化,称为半永久性大气活动中心.例如蒙古高压、印度低压、北太平洋副热带高压与阿留申低压等,这四个半永久性和永久性大气活动中心相对位置及强度的变化与我国的天气变化有着密切关系.
2．3 大气压强的日、年变化
地面气压日变化的一般规律是：一天中有一个最高值和一个次高值；一个最低值和一个次低值.最高值出现在9～l0时,次高值出现在21～22时；最低值和次低值分别出现在15～16时和3～4时.两个不对称的日变化波的出现,表现出每12小时一个周期.气压最高值和最低值的出现与气温的日变化有关：白天由于太阳辐射的加热作用,使空气膨胀而上升,到一定高度后向四周辐散,导致空气柱质量减少,地面气压降低；夜间由于地面和大气的辐射冷却作用,空气柱收缩,空中四周气流辐合,使气柱质量增多,地面气压升高.次高值和次低值的出现原因比较复杂,一般认为与太阳引起的大气潮汐作用有关.
气压的年变化与海陆性质、地理纬度、海拔高度等自然地理条件有关.大陆上一年中气压的最高值出现在寒冷的冬季,最低值出现在温暖的夏季,年振幅较大,并且年振幅随纬度的增加而增大.海洋上一年中气压最高值出现在夏季,最低值出现在冬季,年振幅较小.高山地区全年气压最高值出现在夏季,最低值出现在冬季,年振幅也较小.
气压的非周期性变化与气压系统的移动和演变有关.在中高纬度地区,由于高、低压系统移动和变化频繁,因而气压的非周期性变化比低纬度地区明显.气压随时间的急剧变化往往是天气急剧变化的预兆.一般情况下,气压降低或低压系统逼近预示着阴雨天气的来临：而高压系统到来则多为晴朗天气.因此,掌握气压随时间的变化与天气变化的关系,在天气预报工作中是极为重要的.