关于《环境化学》中“大气稳定度”概念的教学体会

关键词: 环境 专业 课程 教学

《环境化学》是环境专业大学生的必修课, 具有专业基础课的性质, 教好本课程对提高环境专业学生的培养质量有着非常重要的作用。通过多回合的环境化学课程教学实践, 我们对教学本课程有了一些体会, 形成了一些看法。本文以教学课程中“大气稳定度”这一概念为例, 通过剖析相应的教案, 来表达我们的心得, 以供同仁们参考。

大气稳定度是指大气层的稳定程度。一个地区大气的稳定度决定着该地区污染物能否在大气层中顺利迁移扩散, 最终影响着该地区的污染程度。大气稳定度高, 不利于污染物扩散, 容易导致污染物的浓度增高, 最终可能引发大气污染事件。此外, 大气稳定度还与逆温现象息息相关。所以让学生掌握大气稳定度的概念非常重要。《环境化学》既然是专业基础课, 因而, 它必然具有基础课程和专业课程之间的桥梁作用。课程中的不少概念和方法其实都源于基础课程中的一些更普通的概念和方法。这些概念和方法只不过是那些普通的概念和方法在环境领域中的具体应用。但是, 一方面, 由于学生最初接触稳定性概念是在学习物理时, 当学生接触到大气稳定度概念时, 已过去了很长时间, 许多学生对物理课程中学习的稳定性概念已经模糊或忘却, 误认为大气稳定度是一个完全新的概念。另一方面, 现在比较通行的教材, 很少提及该概念的来龙去脉, 影响学生对该概念的重要性的认识。特别是当用大气温度垂直递减率指标来判断大气层的稳定度时, 学生就更难理解和掌握了。

为了使学生很好地掌握大气稳定度的概念, 首先要让学生明确该概念与大气污染迁移扩散的内在关系, 知道大气稳定度好坏决定着污染物在竖直方向上迁移扩散容易程度。了解该概念在大气环境化学中的地位, 使他们认识该概念的重要性, 引起学生对该概念的重视。

其次, 点出该概念实际上是物理学中有关稳定概念在大气环境化学中的具体应用的结果。为此, 要为学生回顾一下物理学中稳定性的概念。物理学中的稳定性概念是指一个处于平衡状态的物体, 由于某种原因, 物体偏离了原来的平衡状态, 当该原因消除以后, 如果物体能返回原来的平衡态, 我们说该物体处于稳定状态;如果物体不能返回原来的状态, 我们就说该物体处于不稳定状态。同样地, 我们讲大气稳定度好:意味着由于某种原因, 某一气团离开了原来的平衡状态, 当该种原因消失以后, 气团能返回到原来的状态。相反, 讲大气稳定度差, 意味着气团不能返回到原来状态。所以, 环境化学中的稳定度概念实质上就是物理学中的稳定性概念。

那么, 如何描述大气的稳定度呢?这就要告诉同学, 当一气团由于某种原因离开原来的平衡状态后, 会发生什么现象?通过教学描述大气稳定度过程, 以使学生提高提出问题的能力。由于大气层各处的大气压随海拔高度的变化而变化, 当气团离开原来的平衡状态时, 气团所受到的环境压力将发生变化, 气团内外压力不再处于平衡状态, 因而, 气团将产生膨胀或压缩。考虑到大气的传热性能较差, 如果认为气团的压缩或膨胀是瞬间完成, 没有与环境产生热交换, 那么, 该膨胀或压缩过程可以看作是一个绝热过程, 该过程将导致气团的温度变化, 进而改变气团的密度, 最终决定:当导致气团离开平衡状态的因素消失后, 气团是返回还是离开原来的平衡位置。也就是说, 决定了大气的稳定度。由上可知, 要描述大气的稳定度, 关键要知道: (1) 由于某种原因, 导致某一气团竖直离开原来的平衡位置后, 气团发生的绝热膨胀或压缩引起的气团温度降低或升高程度 (用绝热垂直温度递减率Г0表示, 其值为正) ; (2) 气团所处的大气层温度随海拔变化而变化的程度 (用气团所处大气实际垂直温度递减率Г表示) 。当Г<Г0, 表明大气层是稳定的;当Г>Г0, 表明大气层是不稳定的;而Г=Г0, 则表明大气层处于随遇平衡状态。总之, 我们通过比较Г和Г0可以判断大气的稳定度, 进而确定进入大气中的污染物是否容易迁移扩散。大气层处于不稳定状态, 表明进入气团中的污染物容易迁移扩散。相反, 当大气层处于稳定状态时, 气团中的污染物不容易迁移扩散。

我们知道, Г是所研究区域的大气层在研究时段实际的垂直方向上的温度递减率, 影响它的因素很多, 通常由实测方法确定。所以, 确定大气层的稳定度的关键是确定Г0。在大多数现有教材中, 一般只提供它的数值, 而没有详细的推导, 致使学生对其印象不升。另外, 这样安排很难提高学生计算和推导能力。本着为学生复习相关物理化学知识、培养学生分析、解决问题的能力之目的, 我们通常按如下过程为学生推导计算Г0。发现教学效果良好。

由上述可知, Г0的大小取决于任一气团偏离原来平衡位置时产生的绝热过程。通过简化和假设, 将决定Г0归结于求解下面一道物理化学作业题, 以便学生掌握分析、抽象和理论化实际问题的能力。

假设空气因某种原因离开原来平衡位置上升时, 经历了绝热 (因空气导热性小) 准静态膨胀, 空气可视为理想气体 (因暂不考虑空气中的水蒸汽) , 试求出温度随高度 (海拔) 的变化规律, 即每升高1公里, 温度降低多少 (即Г0=—dT/dh) ?

解题:因为:dT/dh= (аT/аp) 绝热· (аp/аh) , 所以, 求得 (аT/аp) 绝热和 (аp/аh) 即可得dT/dh。先求аp/аh。

考虑在高度h与h+dh之间、截面积为A的一个空气气团, 如图所示。对气团进行受力分析:作用在上下两面的力分别是-p (h+dh) ·A和p (h) ·A;设空气密度为ρ (h) , 重力加速度为g, 则作用在气团上的重力为—ρ (h) ·A·g·dh。当这三力平衡时如下等式成立:

由此可得:

如果空气的平均分子量为μ, 则空气的摩尔体积为μ/ρ (h) 。根据理想状态方程:PVm=RT, 可得:p (h) ·μ/ρ (h) =RT, 所以,

将 (3) 式代入 (2) 式得:аp/аh=-μ·g·p (h) /RT (4)

现在来求 (аT/аp) 绝热:

因为, 对于理想气体, PVm=RT, 微分后得:dp/p+dV/V=dT/T (5)

另一方面, 对于理想气体绝热过程有:PVmν=常数, 式中ν空气的恒压热容与恒容热容之比。对该式微分得:

将 (6) 式代入 (5) 式得: (аT/аp) 绝热= (ν-1/ν) ·T/P (7)

最后, 由 (4) 和 (7) 式得出:

查热力学数据手册得:ν=1.41μ=29g=980CM/S2

所以:dT/dh≌-1.00×10-4=-10K/km。

由于, 空气中常有水蒸汽, 它们在气团绝热过程中会有热的放出或吸收, 影响dT/dh值。考虑该因素影响后, 可近似地认为:dT/dh≌-6K/km。

最终, 我们可得出:Г0=-dT/dh≌6K/km。

此外, 为了让学生掌握和巩固上述知识, 给学生留了:“确定受热气团最大混合层高度”的作业题。经过对学生完成作业情况总结分析, 发现利用该作业题, 还能督促和培养学生运用已学知识的能力和自学新知识的能力。

总而言之, 通过教学“大气稳定度”概念, 我们认识到, 教学《环境化学》这样的专业基础课: (1) 要时刻注意将基础知识与专业知识有机地联系起来, 实现新旧知识的稼接, 一者便于学生巩固已学知识, 二者便于提高学生运用知识解决实际问题的能力; (2) 要时刻注意培养学生将复杂的实际问题抽象转化成类似于作业题的问题之能力。正如上述的“将决定Г0归结于求解下面一道物理化学作业题”一样; (3) 此外, 还要注意培养学生使用数学语言、逻辑推理的习惯, 只有这样才能真正提高学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。

摘要:本文根据作者教学体会, 详细给出了《环境化学》课程中的有关“大气稳定度”概念的教案, 并论述了如此安排教案的理由和根据。在该教案使用过程中, 作者发现, 要获得专业基础课教学的良好效果, 必须为学生指出所涉及的概念或方法的来龙去脉, 将基础知识和专业知识有机地联系起来, 有效发挥专业基础课的桥梁和纽带作用, 这样才能使学生复习和巩固已学过的知识, 达到培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力的目的。

关键词:环境化学,大气稳定度,污染物扩散

注:本文为网友上传,旨在传播知识,不代表本站观点,与本站立场无关。若有侵权等问题请及时与本网联系,我们将在第一时间删除处理。E-MAIL:66553826@qq.com

上一篇:高中化学环境教育教学论文提纲 下一篇:大气环境化学重点