熱力学について

熱力学について
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さて、本日は毎回2.2問程度出題される大気の熱力学についてお伝えしたいと思います。この分野は基本的な内容が多く出題されますのでおさえていたいところです。

まず、物体というのは温度の上昇に伴って(つまり一定の熱量が加わることで)、固体→液体→気体へと状態の変化が起きます。この点は、皆さん理科の勉強などでされたと思いますが、専門用語ではこれは相変化(そうへんか)といいます。

ここで、固体から気体になるときに加える熱を昇華熱(しょうかねつ)といいますが、固体から液体になるときに加える熱は融解熱(ゆうかいねつ)としていいますが、ここでは、

昇華熱=融解熱+気体熱

という方程式が成立します。例えば、固体の氷から直接水蒸気へ変化する際には昇華熱が必要となりますが、このあとき氷から液体の水になるときに必要な融解熱だけでなく、気体熱も必要になるということです。この点は重要なので覚えておきましょう。

さらに、空気が上下運動をするとき、熱の動きはどうなっているのでしょうか?このシチュエーションでは外部との熱のやり取りの効果は他の効果よりかなり小さいため、熱のやり取りがない「断熱」状態として考えられます。上昇するときには外部との熱のやりとりがないため断熱上昇といわれ、加工する際には断熱下降として定義されています。

この上下するプロセスにおいて、上昇するときには空気塊は断熱上昇をしますが、圧力が減るため体積が上昇しますが、温度は下がり、エネルギー量は減ることを覚えておきましょう。

次に、上昇気流についてです。上昇気流が起きると雲が発生し、これは天気を崩すことになります。では、なぜ上昇気流が発生するのでしょうか?これには主に5つの原因があります。まず、気流が山を越えるときです。第二には低気圧や台風によりその中心に風が吹き込むときです。さらに。温暖前線が発生したときや、太陽などにより地面が熱せされたことで周囲の空気よりも軽くなるときです。最後に、上空に冷たい空気が流れ込み、上空が重くて冷たい状態になる一方で、地上は相対的に暖かく軽い空気状態になったときにも発生します。

空気が乾燥しており、外部からの熱の出入りがない場合には気温が下がることになります。100mについて1度気温が減るのですが、これを乾燥断熱減率といいます。また、空気が湿っていて飽和状態にある場合には、100mにつき、0.5度の割合で気温が下がり、これを湿潤断熱減率といいます。

基礎的な知識としてこの辺は押さえておきたいところですね。

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