Météorologie physique Eva Monteiro

Structure verticale de l ’atmosphère terrestre hétérosphère Structure verticale de l ’atmosphère terrestre homosphère La troposphère La stratosphère La mésosphère la thermosphère l’exosphère

Composition de l’atmosphère jusqu’à 110 km de hauteur

Composition de l’atmosphère jusqu’à 110 km de hauteur Const. Air sec N2,O2, Ar, CO2 variable Air atmosphérique Solide liquide vapeur Eau Rôle importante: chimie, physique des nuages radiation aérosols

Composition de l ’atmosphère Essentiellement variable dans le temps et dans l ’espace. Définition de l ’air sec Importance des autres composantes

Les « lois de la nature » Conservation de la quantité de mouvement Conservation de la masse Conservation de l’énergie

Branches de la Physique utilisées dans l ’étude des phénomènes atmosphériques La dynamique La thermodynamique Électromagnétisme

La Physique appliquée à l ’atmosphère L ’atmosphère est une machine thermique: Les mouvements atmosphériques sont possibles par la conversion de l ’énergie solaire en d ’autres formes d ’énergie Choix du modèle du système atmosphère L ’air sec: mélange de gaz parfaits Milieu continu L ’air humide: l ’air sec + la vapeur d ’eau

Thermodynamique L ’étude quantitative de la chaleur comme forme d ’énergie Les transformations d ’énergie L ’étude empirique des propriétés macroscopiques des grands ensembles de particules

Concepts thermodynamiques Système thermodynamique Environnement d ’un système Système: ouvert fermé non isolé thermiquement (non adiabatique) mécaniquement isolé (adiabatique + isolé mécaniquement) hétérogène, non homogène ou homogène

Composition Homogène Hétérogène Non homogène

Variable thermodynamiques N ’importe quelle propriété macroscopique du système thermodynamique Variables intensives: Température, pression, … Variables extensives: Volume, masse, énergie, … Variables extérieures: Volume, champ de gravitation, ... Variables intérieures: pression, énergie interne, ...

État d ’un système thermodynamique Définition d ’état thermodynamique spécification de toutes les variables intensives qui déterminent complètement l’état du système Équilibre thermodynamique stable, instable et métastable Variable d ’état toute variable intensive qui définit l’état du système à l’équilibre thermodynamique

Fonction d’état On appelle fonction d’état une caractéristique physique du système dont la variation ne dépend pas du processus thermodynamique qui provoque sa variation. Elle est entièrement déterminée par les valeurs des paramètres de l’état initial et de l’état final.

Quelques définitions Poids moléculaire Molécule gramme ou mole (molécule kilogramme ou kilomole)

Variables thermodynamiques fondamentales Le volume spécifique (ou molaire) La température La pression

Procédé thermodynamique Définition de procédé : n ’importe quel changement de l ’état d ’équilibre du système Procédé réversible : succession d ’états d ’équilibre Procédé irréversible

Exemples de procédés Procédé isochore (à volume constante) Procédé isobare (à pression constante) Procédé isotherme (à température constante) Procédé adiabatique (sans échange de chaleur avec l’environnement) Procédé isolé (sans aucun échange d’énergie avec l’environnement)

Résumé de concepts clés Ouvert Système thermodynamique Fermé Intensifs Paramètres thermodynamiques Extensifs Homogène Classification selon sa composition Hétérogène Stationnaire État d’un système Équilibré (stable, instable, métastable) Irréversible Procédé thermodynamique Réversible

Exemples de fonctions d’état Énergie interne Énergie libre de Gibbs Enthalpie Entropie

Caractéristiques thermodynamiques de l’atmosphère Atmosphère: système thermodynamique Non isolé Pas à l ’équilibre thermodynamique Qu ’est-ce qu ’un système isolé? Qu ’est-ce qu ’un système en équilibre?

Notre système : masse d ’air Système thermodynamique fermé (souvent isolé thermiquement) homogène ou hétérogène en équilibre dynamique thermique chimique

Équation d ’état d ’équilibre thermodynamique Variable d ’état et fonction d ’état L ’état d ’équilibre est caractérisé par un ensemble de variables qui définissent complètement l ’état du système à l ’équilibre. La pression p, le volume V, la température T, sont exemples de variables d ’état

Équation d ’état d’un système physiquement homogène

Équation d ’état pour un gaz parfait Lois des gaz parfaits Loi de Boyle - Mariotte Loi de Gay - Lussac Loi de Charles

Équation d ’état pour un gaz parfait Où n = nb. de kilomoles dans V = volume T = température (K) R* = constante universelle des gaz

Mélange des gaz: pression partielle Loi d ’Avogadro: Volumes égaux de gaz différents aux mêmes conditions de température et pression, contiennent le même nombre de molécules. Le nombre de molécules dans une mole, ainsi que le nombre d’atomes renfermés dans l’atome-gramme, est le même pour toutes substances. Ce nombre est le nombre d’Avogadro NA = 6,023 1023 mole-1 Loi de Dalton: dans un mélange de gaz en équilibre chimique chaque gaz qui constitue le mélange se comporte comme s ’il était tout seul

Mélange de gaz: Définitions Le mélange de gaz est l'ensemble de plusieurs gaz différents qui, dans des conditions données, n'entrent pas en réaction chimique l'un avec l'autre. Le mélange de gaz représente un système thermodynamique homogène. concentration pondérale gi :

Mélange de gaz: Définitions concentration molaire xi du i-ème :

Mélange de gaz: pression partielle Soit un mélange de plusieurs gaz, placé dans un contenant de volume V et ayant la température T. Par définition, la pression partielle du constituant i du mélange , pi, est la pression qu ’exercerait le gaz i s ’il était seul dans le récipient à la même température T

Mélange de gaz: pression partielle On appelle pression partielle pi du i-ème gaz du mélange la pression qu'exercerait ce gaz si tous les autres gaz étaient éliminés du mélange, le volume et la température étant les mêmes:

Mélange de gaz: volume partiel On appelle volume partielle Vi du i-ème gaz du mélange le volume qui occuperait ce gaz si tous les autres gaz étaient éliminés du mélange, la pression et la température étant les mêmes:

Mélange de gaz: Loi de Dalton Dans le cas d ’un gaz parfait, la pression totale exercée par un mélange est égale à la somme des pressions partielles des constituants (N = nombre de constituants) Pourquoi?

Mélange de gaz: Loi de Dalton V n2 V n1 + n2 V P1 = ? P2 = ? p1 + p2 = ? La loi de Dalton est une conséquence de l ’équation des gaz parfaits, pour laquelle l ’état du gaz ne dépend que du nombre de molécules, et non de leur nature chimique.

Équation d ’état d ’un mélange de gaz parfaits Pour calculer les paramètres d'état d'un mélange de N gaz parfaits, on peut utiliser l'équation de Clapeyron écrite sous la forme: où

Équation d ’état pour l ’air sec

Équation d ’état de l ’air humide Air humide = air sec + vapeur d ’eau

Équation d ’état de l ’air humide où Tv est la température virtuelle et T la température

À retenir… L’air est un mélange de gaz parfaits. Les lois des gaz parfaits s’appliquent aux parcelles d’air Loi des gaz parfaits ou Équation de Clapeyron Loi de Boyle - Mariotte Loi de Gay - Lussac Loi de Charles Loi d’Avogadro Lois de Dalton Équation d’état de l’air (sec et humide)

Poids moléculaire Retour

Pression Retour

Température Loi zéro de la thermodynamique: Il existe une propriété scalaire universelle appelée température caractéristique de tout système thermodynamique. Une condition nécessaire pour que deux systèmes en contact non isolés soient à l ’équilibre est l ’égalité de leurs températures. A B C TA = TC et TB = TC  TA = TB

Échelles de température Échelle Celsius: t0 = 0 ºC, tb = 100 ºC Échelle Farenheit: t0 = 32 ºC, tb = 212 ºC Échelle Kelvin: retour