Grundlagen der Thermodynamik und Strahlungsbilanz

Albedo und Strahlungsbilanz

Die Albedo beschreibt die Fähigkeit verschiedener Oberflächen, Solarenergie in die Atmosphäre zurückzustrahlen.

Strahlungsbilanz des Klimasystems

Die Strahlungsbilanz beschreibt den Energiefluss im Bereich der Konvergenz:

• K: Sonnenstrahlung (Flux = S + D + K)
• L: Terrestrischer Strahlungsfluss
• D: Fühlbarer Wärmestrom in der Atmosphäre
• H: Fühlbarer Wärmestrom in den Boden
• C: Latenter Wärmestrom

Bei einer Temperatur von T = 288 K (-15 °C) ergibt sich eine Strahlungsleistung von ca. 250 Kcal cm⁻² yr⁻¹.

Ideale Gasgesetze

Ein ideales Gas besteht aus Teilchen (Molekülen) in zufälliger Bewegung. Das Volumen der Moleküle ist vernachlässigbar, es wirken keine Kräfte zwischen ihnen, und Kollisionen sind elastisch.

Boyle-Mariotte-Gesetz

Bei konstanter Temperatur ist das Volumen einer Gasmasse umgekehrt proportional zum Druck (P ∝ 1/V). Es gilt: P1 · V1 = P2 · V2 = k.

Gay-Lussac-Gesetz

Bei konstantem Druck verhält sich das Volumen proportional zur absoluten Temperatur:

V / V0 = T / T0 (wobei T in Kelvin angegeben wird).

Dalton-Gesetz

In einer Gasmischung ist der Gesamtdruck gleich der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase: p = p1 + p2 + ... + pn.

Wärmelehre und Thermodynamik

Die Wärmeenergie Q berechnet sich durch: Q = c · m · (Tf - Ti).

Wärmeeinheiten

• Kalorie (cal): Wärme zur Erwärmung von 1 g Wasser von 14,5 °C auf 15,5 °C.
• Kilokalorie (kcal): 1000 cal.
• British Thermal Unit (BTU): Wärme zur Erwärmung von 1 Pfund Wasser um 1 °F.
• Joule: 1 cal = 4,186 Joule.

Spezifische Wärme

Die spezifische Wärme c ist die Wärmemenge pro Masseneinheit zur Erhöhung der Temperatur um ein Grad: c = ΔQ / ΔT.

• Cv: Spezifische Wärme bei konstantem Volumen.
• Cp: Spezifische Wärme bei konstantem Druck.

Hauptsatz der Thermodynamik

Es gilt: dQ = dU + P · dV.

Adiabatischer Prozess

Bei einem adiabatischen Prozess gilt dU = -dW. Während einer adiabatischen Expansion wird Arbeit an der Umgebung verrichtet. Da dies auf Kosten der inneren Energie geschieht, sinkt die Temperatur (dU und dT sind negativ).