º ÆÆÆ×××ÒÒÒ Ð³ÓÖÖÖÖ ×ÔÔØØØÐ ÙÒÒÒÒÑÑÒ××ÓÒÒÒÐ
¾¾½
×ÙÔÔÓ×××× ³³ÜØØÒ××ÓÒ ÐÐØØÖÖÐÐ ÒÒÒÒÒ ´ÔÔÖ ÒÒÒÒÒ ¸ ÒÓÙ× ÒØØÒÒÓÒ× ÙÒÒ Ü¹
ØØÒ××ÓÒ ØÖÖ× ÖÖÒÒÒ ÔÔÖ ÖÖÔÔÓÖØ г³×ÔÔÔÔÑÑÒØ Ø Ò ØÖÖ ÐÐ× ÔÐÐÕÙÙ×µ ÐÐ ×ÝרØÑÑ
ÓÓØ ÓÒÒ ×ÓÙ××ÖÖÖÖ ÐÐ ÓÒÒÒØØÓÒ ØÖÖÒ×ÐÐØØÓÒ ÐÐ ÐÓÒÒ Ð³³ÜÜ
ÓÖÖÞÓÒØØÐ Ox ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ T Ø ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ p ÒÒ Ò×× ÕÙÙ
ÐÐ ××ÙÐÐ ÚÚÖÖÖÖÐÐ ³³×ÔÔÔÔ ÚÚÖØØØØÐÐ zº ü ÔÔÖØØÖ г³ÕÙÙØØÓÒ ØÖÖÒ×ÔÓÖØ
ÐÐ ´´ÕÙÙØØÓÒ ºººµ Ø Ð³³ÕÙÙØØÓÒ ÆÆÚÚÚÖ¹ËØÓÓÓ× ´´ÕÙÙØØÓÒ ºººµ¸ ÒÓÙ×
ÓÓØØÒÓÒ× ÐÐ ×ÝרØÑÑ ×ÙÙÚÚÒØ Ø d
2 T 0 (z)/dz
2
= 0 Ø ∂p 0 /∂z + ρ 0 g = 0¸ ÓÓ Ð³³ÒÒÒÒÒ
0 ×× ÖÖÖÖÖÖ ÐÐ ×ÓÐÙØØÓÒ ×ØØØØÓÒÒÒÒÖÖº ÈÖ ÒØØØÖÖØØÓÒ¸ ÒÓÙ× ÓÓØØÒÓÒ× ÐÐ ÔÖÓÓÐ
ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ T 0 = a + bz¸ Ó a Ø b ×ÓÒØ ÙÜ
ÐÐ× ÚÚÐÐÙÖ× ×ÓÒØ ÔÔÖ ÐÐ× ÓÒÒÒØØÓÒ× ÙÜ ÐÐÑÑØØ× T 0 (z = 0) = T ↓ Ø
T 0 (z = d) = T ↑ º ÆÓÙ× ÓÓØØÒÓÒ× Ò×× ÐÐ ÔÖÓÓÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ×ÙÙÚÚÒØ Ø
T 0 (z) = T ↓ −
ΔT
d
z
´´ºººµ
ÓÓ ΔT ר ÐÐ ÖÖÒÒÒ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ÐÐ× ÙÜ ÔÐÐÕÙÙ× ´´ººº ΔT =
T ↓ − T ↑ µº ÄÄ ÔÖÓÓÐ ÔÖÖ×××ÓÒ ÐÐ ×ÓÐÙØØÓÒ ×ØØØØÓÒÒÒÒÖÖ Ù××Ú ÔÖÖÒÒ
ÓÒÒ ÐÐ ÓÖÑÑ
p 0 = c − ρ 0 gz
´´ºººµ
ÓÓ c ר ÙÒÒ ÖÖÖØÖÖÖÖÖ¸ Ö ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ ×Ø ØÓÙÙÓÙÖ× ÒÒÒ ÔÔÖ ÖÖÔÔÓÖØ
ÙÒÒ ÖÖÖÖÖÖÒÒÒ ¿¿ º ÄÄ Ò××ØØ ρ 0 ר Ò ÔÖÖÒÒÒÔÔ ØØÖÑÑÒÒÒ ÔÔÖØØÖ ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ
Ø ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ÔÔÖ ÙÒÒ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ¿ º ÅÅÑÑ Ò
ÔÖÖ××ÒÒÒ ³ÙÒ ÓÙ Ò ÔÖÖ××ÒÒÒ ³ÙÒ ÖÖÖÖÖÒØ
ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ¸ ÐÐ ÑÑÑÑÒÒÕÙÙ × ÑÑÐÐÐÙÜ ÓÒØØÒÙ׸ ÓÑÑÑ ÐÐ ØØØÖÑÓÓÓÒÚÚÚØØÓÒ
ÕÙÙ ÒÓÙ× ØÙÙÙÓÒ× ¸ ÖÖÔÓ×× ×ÙÖ Ð³³ÝÔÓØØØ×× Ð³³ÕÙÙÐÐÐÖÖ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ
ÐÓÓÓк ÚÚÙØ ÖÖ ÕÙÙ ÔÓÙÖ ÙÒ ÔÔØØØ ÙÙÙÙ¸ ÒÓÙ× ÙØØÐÐ×ÓÒ× ÐÓÓÓÐÐÑÑÒØ
ÐÐ× ÔÖÖÒÒÒÔÔ× ÐÐ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ¸ ØØÐ× ÐÐ ÔÖÖÑÑÑÖ Ø ×××ÓÒÒ ÔÖÖÒÒÒÔÔ× ¿¿ º
¿¿ ÆÓØÓÒ× ÕÙÙ ××ÙÐÐ ÐÐ ÖÖÒÒÒ ÔÖÖ×××ÓÒ Ò× ÐÐ× ÕÙÙØØÓÒ× ÐÐ ÝÒÒÑÑÕÙÙ
Ø ÒÓÒ ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ Ò ×ÓÓ¸ г³ÒרØÖ ÐÐ ÑÑÑÑÒÒÕÙÙ Ù ÔÓÓÒØ Ø Ó Ò Ø ÐÐ ÝÒÒÑÑÕÙÙ
ÐÐ ÖÖÒÒÒ ÔÓØØÒØØØÐ Ø ÒÓÒ Ù ÔÓØØÒØØØÐ ÐÙÙ¹ÑÑÑѺ
¿ ÍÒÒ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ³ÙÒ ×ÝרØÑÑ Ð³³ÕÙÙÐÐÐÖÖ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ×Ø ÙÒÒ ÖÖÐÐØØÓÒ ÒØÖÖ
ÔÔÖÖÑÑØÖÖ× ÔÔÝ××ÕÙÙ׸ ÐÐ× ÚÚÖÖÖÖÐÐ× ³³ØØØ¸ ÕÙÙ Ò×× ×ÓÒ ØØØº ÈÓÙÖ ÙÒ
ÙÙÙÙ ÙÒÒ ××ÙÐÐ ÓÑÔÓ××ÒØØ¸ ØØØ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ÖÖÐÐÐ ÐÐ Ò××ØØ¸ ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ Ø ÐÐ
ÔÖÖ×××ÓÒº ü ÔÔÖØØÖ г³ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ÖÖÖØØÖÖרØÕÙÙ ³ÙÒ ×ÝרØÑÑ ÔÔÝ××ÕÙÙ¸ Ð ×Ø ÔÓ××××ÐÐ
ØØÖÑÑÒÒÖ ÐÐ ØÓØØÐÐØØ × ÕÙÙÒØØØØ× ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ× ÖÖÚÒØ ×ÝרØÑÑ Ø ÔÔÖ ×ÙÙØØ
ÔÖÖÖÖÖÖ ××× ÔÖÓÔÖÖÖØØ×º
¿¿ ÄÄ ÔÖÖÑÑÑÖ ÔÖÖÒÒÒÔÔ ÐÐ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ÒÓÒÒÒ ÐÐ ÐÓÓ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ
ÒØØÖÒÒ Ù ×ÝרØÑÑ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ÓÒ××××ÖÖ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ ×Ø ÙÒÒ ÓÒÒØØÓÒ ÓÙ ÚÚÖÖÖÖÐÐ
³³ØØØ ÒÓØØØ U ¸ ÒÒÒ ÓÑÑÑ ÐÐ ×ÓÑÑÑ ØÓÙØØ× ÐÐ× ÒÒÖÖÖÖ× ÒÒØØÕÙÙ× Ø ³³ÒØØÖÖÖØØÓÒ
× ÑÑÑÖÓ××ÓÔÔÕÙÙ× Ù ×ÝרØÑѺ Ù ÓÙÖ× ³ÙÒÒ ØÖÖÒ××ÓÖÑÑØØÓÒ ÕÙÙÐÐÓÒÕÙÙ Ù
×ÝרØÑѸ ÐÐ ÚÚÖÖÖØØÓÒ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ ÒØØÖÒÒ dU ר ÐРг³ÒÒÖÖÖÖ ÔÔÖ ÐÐ ×ÝרØÑÑ
Ú ÐÐ ÖÖ×ØØ Ð³ÙÒÒÚÚÖ׸ ×ÓÙ× ÓÖÑÑ ÐÐÙÖ δQ ´ÐÐ ÐÐÙÖ ×Ø г³³³ØØØØÓÒ
ÑÑÑÖÓ××ÓÔÔÕÙÙ × Ù ×ÝרØÑÑ δQ ר г³ÒÒÖÖÖÖ ÔÔÖ ÐÐ ×ÝרØÑÑ ×ÓÙ× ÓÖÑÑ
ÓÒÒÙÙØØÓÒ¸ Ø ÖÖÝÓÒÒÒÑÑÒØµ¸ Ø ×ÓÙ× ÓÖÑÑ ØÖÖÚÐ δW ´´ººº ØÓÙØØ ÒÒÖÖÖÖ¸
ÙØÖÖ ÕÙÙ ÐÓÖÖÖÕÙÙ¸ ÐÐ ×ÝרØÑÑ Ø ÐÐ ÖÖ×ØØ Ð³ÙÒÒÚÚÖ×µ ÔÖÖÑÑÑÖ ÔÖÖÒÒÒÔÔ
רØÔÙÐÐ ÓÒÒ ÕÙÙ dU = δW +δQº ÁÐ ÔÔÖÑÑØ Ò×× ³³ØØØÐÐÖ ÙÒ ÐÐÒ ÒÒÖÖÖØØÕÙÙ ÑÑÑ× ÒÒ ÔÔÖÑÑØ
ÔÔ× ÔÖÖÖÖÖÖ ÐÐ ××Ò× Ð³³ÚÓÐÙØØÓÒ × ×ÝרØÑÑ׺ ³³×Ø ÐÐ ÖÖÐÐ Ù ×××ÓÒÒ ÔÖÖÒÒÒÔÔ¸ Ø ÔÖÖÒÒÒÔÔ
ÁÐ ÙÒÒ ÒÓÙÚÚÐÐÐ ÓÒÒØØÓÒ ³³ØØØ¸ ØØ ÒÓØØØ S¸ Õ Ù ÖÖØ ÐÐ
× ×ÝרØÑÑ× ÔÔÖ ÐÐ ÑÑÜÜÑÑÐÐ×רØÓÒ ÐÐÙÖ ´Ð³³ÒØÖÓÔÔÔ S ר ÑÑÜÜÑÑÐÐ
¾¾½
×ÙÔÔÓ×××× ³³ÜØØÒ××ÓÒ ÐÐØØÖÖÐÐ ÒÒÒÒÒ ´ÔÔÖ ÒÒÒÒÒ ¸ ÒÓÙ× ÒØØÒÒÓÒ× ÙÒÒ Ü¹
ØØÒ××ÓÒ ØÖÖ× ÖÖÒÒÒ ÔÔÖ ÖÖÔÔÓÖØ г³×ÔÔÔÔÑÑÒØ Ø Ò ØÖÖ ÐÐ× ÔÐÐÕÙÙ×µ ÐÐ ×ÝרØÑÑ
ÓÓØ ÓÒÒ ×ÓÙ××ÖÖÖÖ ÐÐ ÓÒÒÒØØÓÒ ØÖÖÒ×ÐÐØØÓÒ ÐÐ ÐÓÒÒ Ð³³ÜÜ
ÓÖÖÞÓÒØØÐ Ox ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ T Ø ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ p ÒÒ Ò×× ÕÙÙ
ÐÐ ××ÙÐÐ ÚÚÖÖÖÖÐÐ ³³×ÔÔÔÔ ÚÚÖØØØØÐÐ zº ü ÔÔÖØØÖ г³ÕÙÙØØÓÒ ØÖÖÒ×ÔÓÖØ
ÐÐ ´´ÕÙÙØØÓÒ ºººµ Ø Ð³³ÕÙÙØØÓÒ ÆÆÚÚÚÖ¹ËØÓÓÓ× ´´ÕÙÙØØÓÒ ºººµ¸ ÒÓÙ×
ÓÓØØÒÓÒ× ÐÐ ×ÝרØÑÑ ×ÙÙÚÚÒØ Ø d
2 T 0 (z)/dz
2
= 0 Ø ∂p 0 /∂z + ρ 0 g = 0¸ ÓÓ Ð³³ÒÒÒÒÒ
0 ×× ÖÖÖÖÖÖ ÐÐ ×ÓÐÙØØÓÒ ×ØØØØÓÒÒÒÒÖÖº ÈÖ ÒØØØÖÖØØÓÒ¸ ÒÓÙ× ÓÓØØÒÓÒ× ÐÐ ÔÖÓÓÐ
ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ T 0 = a + bz¸ Ó a Ø b ×ÓÒØ ÙÜ
ÐÐ× ÚÚÐÐÙÖ× ×ÓÒØ ÔÔÖ ÐÐ× ÓÒÒÒØØÓÒ× ÙÜ ÐÐÑÑØØ× T 0 (z = 0) = T ↓ Ø
T 0 (z = d) = T ↑ º ÆÓÙ× ÓÓØØÒÓÒ× Ò×× ÐÐ ÔÖÓÓÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ×ÙÙÚÚÒØ Ø
T 0 (z) = T ↓ −
ΔT
d
z
´´ºººµ
ÓÓ ΔT ר ÐÐ ÖÖÒÒÒ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ÐÐ× ÙÜ ÔÐÐÕÙÙ× ´´ººº ΔT =
T ↓ − T ↑ µº ÄÄ ÔÖÓÓÐ ÔÖÖ×××ÓÒ ÐÐ ×ÓÐÙØØÓÒ ×ØØØØÓÒÒÒÒÖÖ Ù××Ú ÔÖÖÒÒ
ÓÒÒ ÐÐ ÓÖÑÑ
p 0 = c − ρ 0 gz
´´ºººµ
ÓÓ c ר ÙÒÒ ÖÖÖØÖÖÖÖÖ¸ Ö ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ ×Ø ØÓÙÙÓÙÖ× ÒÒÒ ÔÔÖ ÖÖÔÔÓÖØ
ÙÒÒ ÖÖÖÖÖÖÒÒÒ ¿¿ º ÄÄ Ò××ØØ ρ 0 ר Ò ÔÖÖÒÒÒÔÔ ØØÖÑÑÒÒÒ ÔÔÖØØÖ ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ
Ø ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ ÔÔÖ ÙÒÒ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ¿ º ÅÅÑÑ Ò
ÔÖÖ××ÒÒÒ ³ÙÒ ÓÙ Ò ÔÖÖ××ÒÒÒ ³ÙÒ ÖÖÖÖÖÒØ
ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ¸ ÐÐ ÑÑÑÑÒÒÕÙÙ × ÑÑÐÐÐÙÜ ÓÒØØÒÙ׸ ÓÑÑÑ ÐÐ ØØØÖÑÓÓÓÒÚÚÚØØÓÒ
ÕÙÙ ÒÓÙ× ØÙÙÙÓÒ× ¸ ÖÖÔÓ×× ×ÙÖ Ð³³ÝÔÓØØØ×× Ð³³ÕÙÙÐÐÐÖÖ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ
ÐÓÓÓк ÚÚÙØ ÖÖ ÕÙÙ ÔÓÙÖ ÙÒ ÔÔØØØ ÙÙÙÙ¸ ÒÓÙ× ÙØØÐÐ×ÓÒ× ÐÓÓÓÐÐÑÑÒØ
ÐÐ× ÔÖÖÒÒÒÔÔ× ÐÐ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ¸ ØØÐ× ÐÐ ÔÖÖÑÑÑÖ Ø ×××ÓÒÒ ÔÖÖÒÒÒÔÔ× ¿¿ º
¿¿ ÆÓØÓÒ× ÕÙÙ ××ÙÐÐ ÐÐ ÖÖÒÒÒ ÔÖÖ×××ÓÒ Ò× ÐÐ× ÕÙÙØØÓÒ× ÐÐ ÝÒÒÑÑÕÙÙ
Ø ÒÓÒ ÐÐ ÔÖÖ×××ÓÒ Ò ×ÓÓ¸ г³ÒרØÖ ÐÐ ÑÑÑÑÒÒÕÙÙ Ù ÔÓÓÒØ Ø Ó Ò Ø ÐÐ ÝÒÒÑÑÕÙÙ
ÐÐ ÖÖÒÒÒ ÔÓØØÒØØØÐ Ø ÒÓÒ Ù ÔÓØØÒØØØÐ ÐÙÙ¹ÑÑÑѺ
¿ ÍÒÒ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ³ÙÒ ×ÝרØÑÑ Ð³³ÕÙÙÐÐÐÖÖ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ×Ø ÙÒÒ ÖÖÐÐØØÓÒ ÒØÖÖ
ÔÔÖÖÑÑØÖÖ× ÔÔÝ××ÕÙÙ׸ ÐÐ× ÚÚÖÖÖÖÐÐ× ³³ØØØ¸ ÕÙÙ Ò×× ×ÓÒ ØØØº ÈÓÙÖ ÙÒ
ÙÙÙÙ ÙÒÒ ××ÙÐÐ ÓÑÔÓ××ÒØØ¸ ØØØ ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ÖÖÐÐÐ ÐÐ Ò××ØØ¸ ÐÐ ØØÑÔÔÖÖØÙÖÖ Ø ÐÐ
ÔÖÖ×××ÓÒº ü ÔÔÖØØÖ г³ÕÙÙØØÓÒ ³³ØØØ ÖÖÖØØÖÖרØÕÙÙ ³ÙÒ ×ÝרØÑÑ ÔÔÝ××ÕÙÙ¸ Ð ×Ø ÔÓ××××ÐÐ
ØØÖÑÑÒÒÖ ÐÐ ØÓØØÐÐØØ × ÕÙÙÒØØØØ× ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ× ÖÖÚÒØ ×ÝרØÑÑ Ø ÔÔÖ ×ÙÙØØ
ÔÖÖÖÖÖÖ ××× ÔÖÓÔÖÖÖØØ×º
¿¿ ÄÄ ÔÖÖÑÑÑÖ ÔÖÖÒÒÒÔÔ ÐÐ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ÒÓÒÒÒ ÐÐ ÐÓÓ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ
ÒØØÖÒÒ Ù ×ÝרØÑÑ ØØØÖÑÓÓÝÒÒÑÑÕÙÙ ÓÒ××××ÖÖ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ ×Ø ÙÒÒ ÓÒÒØØÓÒ ÓÙ ÚÚÖÖÖÖÐÐ
³³ØØØ ÒÓØØØ U ¸ ÒÒÒ ÓÑÑÑ ÐÐ ×ÓÑÑÑ ØÓÙØØ× ÐÐ× ÒÒÖÖÖÖ× ÒÒØØÕÙÙ× Ø ³³ÒØØÖÖÖØØÓÒ
× ÑÑÑÖÓ××ÓÔÔÕÙÙ× Ù ×ÝרØÑѺ Ù ÓÙÖ× ³ÙÒÒ ØÖÖÒ××ÓÖÑÑØØÓÒ ÕÙÙÐÐÓÒÕÙÙ Ù
×ÝרØÑѸ ÐÐ ÚÚÖÖÖØØÓÒ Ð³³ÒÒÖÖÖÖ ÒØØÖÒÒ dU ר ÐРг³ÒÒÖÖÖÖ ÔÔÖ ÐÐ ×ÝרØÑÑ
Ú ÐÐ ÖÖ×ØØ Ð³ÙÒÒÚÚÖ׸ ×ÓÙ× ÓÖÑÑ ÐÐÙÖ δQ ´ÐÐ ÐÐÙÖ ×Ø г³³³ØØØØÓÒ
ÑÑÑÖÓ××ÓÔÔÕÙÙ × Ù ×ÝרØÑÑ δQ ר г³ÒÒÖÖÖÖ ÔÔÖ ÐÐ ×ÝרØÑÑ ×ÓÙ× ÓÖÑÑ
ÓÒÒÙÙØØÓÒ¸ Ø ÖÖÝÓÒÒÒÑÑÒØµ¸ Ø ×ÓÙ× ÓÖÑÑ ØÖÖÚÐ δW ´´ººº ØÓÙØØ ÒÒÖÖÖÖ¸
ÙØÖÖ ÕÙÙ ÐÓÖÖÖÕÙÙ¸ ÐÐ ×ÝרØÑÑ Ø ÐÐ ÖÖ×ØØ Ð³ÙÒÒÚÚÖ×µ ÔÖÖÑÑÑÖ ÔÖÖÒÒÒÔÔ
רØÔÙÐÐ ÓÒÒ ÕÙÙ dU = δW +δQº ÁÐ ÔÔÖÑÑØ Ò×× ³³ØØØÐÐÖ ÙÒ ÐÐÒ ÒÒÖÖÖØØÕÙÙ ÑÑÑ× ÒÒ ÔÔÖÑÑØ
ÔÔ× ÔÖÖÖÖÖÖ ÐÐ ××Ò× Ð³³ÚÓÐÙØØÓÒ × ×ÝרØÑÑ׺ ³³×Ø ÐÐ ÖÖÐÐ Ù ×××ÓÒÒ ÔÖÖÒÒÒÔÔ¸ Ø ÔÖÖÒÒÒÔÔ
ÁÐ ÙÒÒ ÒÓÙÚÚÐÐÐ ÓÒÒØØÓÒ ³³ØØØ¸ ØØ ÒÓØØØ S¸ Õ Ù ÖÖØ ÐÐ
× ×ÝרØÑÑ× ÔÔÖ ÐÐ ÑÑÜÜÑÑÐÐ×רØÓÒ ÐÐÙÖ ´Ð³³ÒØÖÓÔÔÔ S ר ÑÑÜÜÑÑÐÐ
