克劳修斯克拉佩龙方程在什么条件下

鲁道夫·克劳修斯：气候变化的揭秘者

一览：

• 克劳修斯-克拉佩龙方程在2021年的IPCC报告中出现了36次：要想了解其重要性，我们需要追溯历史。

• 气候变迁与海洋的发展史紧密相连：1824年，温室效应这一概念被首次提出。

• 埃米尔·克拉佩龙提出了热力学第二定律和理想气体状态方程（PV=nRT）。

• 来自普鲁士的鲁道夫·克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中。

• 据克劳修斯-克拉佩龙方程所示，气温每上升1°C，大气湿度就会增加约7%。

2021年8月，政府间气候变化专门委员会发表了其第六次评估报告的第一部分，着重介绍了气候变化背后的物理学原理。IPCC报告旨在评估近期的科学出版物，提取科学共识，以供政策制定者参考。这份报告多次提到了鲁道夫·克劳修斯，而今年正好是他诞辰两百周年。

气候学十分复杂，要想了解它的起源和发展史，我们需要回顾过去几个世纪。

起源：海洋

气候变迁与海洋的发展史紧密相连，后者对气候调节至关重要。海洋学曾名海洋地理学，是一门非常古老的学科，它源于捕鱼、捕鲸，以及基于海洋的贸易和资源勘探。此前，人们对海洋的理解大多来源于奇闻逸事和地图，有时还涉及一些神秘学和魔法。这一现象直到16世纪才发生改变。

“气候学十分复杂，要想了解它的起源和发展史，需要追溯到几个世纪前。”

伽利略和托里切利所做的相关研究极大促进了温度计和气压计的发展。这两项于16和17世纪出现在意大利的发明对了解大气和海洋至关重要。

18世纪中叶前，由于无法确定海上经度，人们对海洋的了解，尤其是对海流的测绘工作大大受阻。航海计时器发明后，本杰明·富兰克林等人推动了海流测绘工作的发展。

1855年，被誉为“海洋学之父”的美国人马修·方丹·莫里出版了《海洋物理学》；1872年，苏格兰人查尔斯·威维尔·汤姆森开始了第一次挑战者号远征。这两件事情标志了海洋学正式作为一门学科的出现。

发展：大气

1774年，皇家医学会和农业协会成员，法国气候学家Abbé Louis Cotte出版了《气象学论著》一书。该书被视为现代气候学的最早著作之一。

然而，直到19世纪初，研究人员才开始深入探索大气及其气体成分。1824年，正在研究热流数学分析的让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶首次在著作中提到温室效应这一概念。这位来自弗朗什·孔泰大区的物理学家兼数学家提出了一种假设，即大气层起到了绝缘保温的作用，如果没有它，地球将会成为一个冰球。

当时，人们并没有完全理解温室效应背后的大气作用。1861年，当人们激烈讨论冰期起源时，法拉第在伦敦皇家学会的继任者——爱尔兰物理学家兼冰川学家丁达尔发现，引起温室效应的主要气体是水蒸气，其次是二氧化碳。这些气体会吸收部分红外辐射，其浓度的微小变化便会导致气候变化。其实，美国发明家兼女权主义者芙特在五年前也得出过类似结论。但她的研究并没有得到广泛传播，自然而然也就被遗忘了。

随后，来自瑞典的诺贝尔化学奖得主斯万特·阿伦尼乌斯证明了碳循环和温室效应的联系，即大气中二氧化碳浓度的增加会导致温度的大幅上升。根据他的计算，如果大气中的二氧化碳浓度增加一倍，平均温度就会上升4℃至6℃，这与目前的估计相差无几。令人遗憾的是，科学界直到20世纪50年代才接受二氧化碳对大气的影响。除此之外，阿伦尼乌斯还提出，不断增加的二氧化碳浓度应该归因于煤和其他化石燃料的工业使用。只不过，他认为这是一则好消息——毕竟，未来人类不会再受冰河世纪的困扰。

进阶：IPCC

最后，让我们回到IPCC第六次评估报告中提到了36次的克劳修斯-克拉佩龙方程。埃米尔·克拉佩龙是一名巴黎工程师兼物理学家，他于1816至1818年间在巴黎综合理工学院就读，随后前往国立杜埃高等矿业学院深造。他在职业生涯早期极大推动了桥梁工程方面的相关进展。出于对铁路的浓厚兴趣，他开始研究并监督蒸汽机的生产，并重点关注如何提高机车效率。

如今被视为热力学创始人的萨迪·卡诺在当时却鲜为人知。卡诺去世后不久，克拉佩龙意识到了卡诺工作的重要性，于是开始投身热力学。他不仅大力推动了热力学的发展，还降低了其复杂度。克拉佩龙提出了热力学第二定律和理想气体状态方程，并描述了单组分系统在相平衡时，气压随温度的变化率。

“克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中。”

几年后，热力学的另一位奠基人，普鲁士的物理学家兼数学家鲁道夫·克劳修斯对热力学第二定律进行了重新描述：“热量总是自发地由高温处向低温处传递。”他还提出了熵的概念。除了在苏黎世联邦理工学院以及柏林、维尔茨堡和波恩的大学从事教学活动外，克劳修斯还促成了不少19世纪物理学的重大发现，并参考了其同时代的卡诺、焦耳、开尔文和克拉佩龙的研究成果。正是克劳修斯参考了克拉佩龙方程，并将其用于液-气平衡中。

展望：克劳修斯-克拉佩龙方程

克劳修斯-克拉佩龙方程对于研究气候变化至关重要。据克劳修斯-克拉佩龙方程所示，气温每上升1°C，大气湿度就会增加约7%，即在全球范围内增加1%-3%左右的降水。简而言之，该公式有助于我们理解云、雨、雪的形成，并预测极端天气事件，如降水频率和年度最大降水量的增加、风速变化、洪涝等。此外，湿度上升相当于水蒸气质量增加，从而加剧温室效应，形成正反馈循环。

因此，在全球层面，克劳修斯-克拉佩龙方程是帮助我们预测未来的有效工具。而区域层面则将视地方条件而定，这一点与亚历山大·冯·洪堡在研究拉美地区不同气候条件时得到的结论不谋而合。

Annalisa Plaitano

6.Comprendre le changement climatique de Lawrence M. Krauss, publisher H&O science

Annalisa Plaitano