Albédo, Gaz Parfaits et Thermodynamique: Guide Complet
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Albédo et Bilan Énergétique Solaire
L'albédo est la capacité d'une surface à réfléchir l'énergie solaire dans l'atmosphère.
Bilan des Flux d'Énergie de Rayonnement
À la surface, les flux d'énergie de rayonnement convergent. On distingue les flux suivants :
- K: Rayonnement solaire (S + D + K)
- L: Flux de rayonnement terrestre (L↑ + L↓)
- D: Flux de chaleur sensible dans l'atmosphère
- H: Flux de chaleur sensible dans le sol
- C: Flux de chaleur latente
Le flux radiatif de la surface est essentiel pour l'équilibre du système climatique.
Calculs et Équations
Si TS = 288 °K (15 °C) :
IN = 0,817 ou T4 x 10-10 Ly-1 min K-4 (288 °K)4
FR = 0,562 min-1 Ly = 290 kcal cm-2 an-1
Puisque S = 1,94 Ly-1 min, l'énergie totale coupant la surface est :
D S R2
L'énergie totale par unité de surface que l'incident de Q0 correspond à 100% est la suivante :
D S Q0 = R2 / 4 D = R2 S / 4
Q0 = 0,485 min-1 Ly = 250 kcal cm-2 an-1
Gaz Parfaits et Lois des Gaz
Un gaz parfait est un gaz composé de particules dont les molécules sont en mouvement aléatoire. Le nombre total de molécules est grand, le volume des molécules est négligeable par rapport au volume du gaz, il n'y a pas de forces agissant sur les molécules, les collisions sont élastiques et leur durée est négligeable.
Loi de Boyle
Pour une masse de gaz donnée, le volume qu'elle occupe est inversement proportionnel à la pression lorsque la température est maintenue constante, c'est-à-dire :
P ∝ 1 / V
Considérant deux états, un initial et un final, on observe expérimentalement que si l'état initial a une pression P1 et un volume V1 à la température T, et que l'état final a une pression P2 = 2P1 à la température T, alors le volume V2 sera :
V2 = ½ V1
C'est-à-dire P1 V1 = P2 V2 = k, où k est une constante pour chaque masse donnée de gaz à une température donnée.
Loi de Gay-Lussac
Si P = constante, lorsqu'il est chauffé, un gaz subit une expansion si la pression reste constante. Le changement de volume suit la loi :
V = V0 (1 + αpT)
Où αp est le coefficient de dilatation des gaz à pression constante.
Pour une température initiale de 0 °C à P constante, sa valeur pour tout le gaz est :
αp = 1 / 273,15 °C
En remplaçant cette valeur, nous avons :
V / V0 = 1 + t / 273,15 = (273,15 + t) / 273,15 = T / T0
C'est-à-dire, V / V0 = T / T0 où T (K) = 273,15 + T (°C) et T0 = 273,15 K = 0 °C.
Loi de Dalton
Pour un mélange de gaz, la pression totale exercée est égale à la somme des pressions partielles exercées par chacun des gaz qui composent le mélange, c'est-à-dire :
p = P1 + P2 + ... + Pn
Chaleur et Thermodynamique
Chaleur = c • M • (Tf - Ti) où Q représente la chaleur dégagée ou absorbée, m la masse du corps, et Tf et Ti les températures finale et initiale respectivement.
Q est positif si la température finale est supérieure à l'initiale (Tf > Ti) et négative dans le cas contraire (Tf < Ti).
Unités de Chaleur
- Calorie (cal): La quantité de chaleur nécessaire pour fournir un gramme d'eau pour élever sa température de 14,5 °C à 15,5 °C.
- Kilocalorie (kcal): La quantité de chaleur nécessaire pour fournir un kilogramme d'eau pour élever sa température de 14,5 °C à 15,5 °C. 1 kcal = 1000 cal
- Unité Thermique Britannique (BTU): La quantité de chaleur nécessaire pour alimenter une livre d'eau pour élever sa température de 63 °F à 64 °F. 1 BTU = 252 cal
La relation entre la calorie et l'unité d'énergie mécanique est appelée Joule : 1 cal = 4,186 joules
Chaleur Spécifique
La chaleur spécifique d'une substance est la quantité de chaleur par unité de masse et de température nécessaire pour élever la température d'un degré.
C = Q / (m ΔT)
La quantité de chaleur nécessaire pour changer la température à volume constant est appelée chaleur spécifique à volume constant (Cv) :
Cv = (dQ / dT)v=constante
La quantité de chaleur nécessaire pour changer la température à pression constante est appelée chaleur spécifique à pression constante (Cp) :
Cp = (dQ / dT)p=constante
Premier Principe de la Thermodynamique
dQ = dU + PdV
Processus adiabatique: dU = - dW. Lors d'une détente adiabatique, le travail est fait sur l'environnement et est positif, donc le travail se fait au détriment de l'énergie interne, c'est-à-dire dU est négatif et dT sera également négatif. Pendant une détente adiabatique, on observe une diminution de la température.