Fyzika

Cíle Vzdělávání

na konci této části, budete moci:

• Diskutovat o přenos tepla zářením.
• vysvětlete sílu různých materiálů.

Obrázek 1. Většina přenosu tepla z tohoto ohně na pozorovatele je prostřednictvím infračerveného záření., Viditelné světlo, i když dramatické, přenáší relativně malou tepelnou energii. Konvekce přenáší energii od pozorovatelů, když stoupá horký vzduch, zatímco vedení je zde nedbale pomalé. Kůže je velmi citlivá na infračervené záření, takže můžete cítit přítomnost ohně, aniž byste se na něj dívali přímo. (kredit: Daniel X. O ‚ neil)

Obrázek 2. a) graf spektra elektromagnetických vln vyzařovaných z ideálního radiátoru při třech různých teplotách. Intenzita nebo rychlost emise záření se dramaticky zvyšuje s teplotou a spektrum se posune směrem k viditelným a ultrafialovým částem spektra., Stínovaná část označuje viditelnou část spektra. Je zřejmé, že posun směrem k ultrafialové s teplotou je viditelné vzhled posun od červené k bílé na modrou, jak se zvyšuje teplota. b) Zaznamenejte barevné změny odpovídající změnám teploty plamene. (kredit: Tuohirulla)

Obrázek 3. Tento obrázek ukazuje, že tmavší chodník je teplejší než světlejší chodník (mnohem více ledu vpravo se roztavilo), i když oba byli na slunci současně., Tepelná vodivost chodníků je stejná.

obrázek 4. Černý předmět je dobrý absorbér a dobrý radiátor, zatímco bílý (nebo stříbrný) předmět je špatný absorbér a špatný chladič., Je to, jako by se záření zevnitř odrazilo zpět do stříbrného předmětu, zatímco záření zevnitř černého objektu je „absorbováno“, když zasáhne povrch a ocitne se na vnější straně a je silně emitováno.

Domácí Experiment: Teplota na Slunci

Místo teploměru se na slunci a chránit ji před přímým slunečním světlem pomocí hliníkové fólie. Co je to čtení? Nyní odstraňte štít a všimněte si, co teploměr čte., Vezměte kapesník namočený v odstraňovači laku na nehty, zabalte jej kolem teploměru a umístěte jej na slunce. Co čte teploměr?

obrázek 6. Skleníkový efekt je jméno dané zachycování energie v zemské atmosféře procesem podobným procesu používanému ve sklenících. Atmosféra, stejně jako okenní sklo, je průhledná pro příchozí viditelné záření a většinu slunečního infračerveného záření. Tyto vlnové délky jsou absorbovány zemí a znovu emitovány jako infračervené., Vzhledem k tomu, že teplota země je mnohem nižší než teplota slunce, infračervené záření země má mnohem delší vlnovou délku. Atmosféra, jako sklo, zachycuje tyto delší infračervené paprsky a udržuje zemi teplejší, než by jinak bylo. Množství odchytu závisí na koncentracích stopových plynů, jako je oxid uhličitý, a předpokládá se, že změna koncentrace těchto plynů ovlivňuje povrchovou teplotu Země.,

Zkontrolujte své znalosti

jaká je změna rychlosti vyzařovaného tepla tělem při teplotě T1 = 20ºC ve srovnání s tím, kdy je tělo při teplotě T2 = 40ºC?,

roztok

vyzařované teplo je úměrné čtvrtému výkonu absolutní teploty. Protože T1 = 293 K a T2 = 313 K, rychlost přenosu tepla se zvyšuje asi o 30 procent původní sazby.

kariéra: konzultace o zachování energie

náklady na energii jsou obecně považovány za velmi vysoké v dohledné budoucnosti. Pasivní kontrola tepelných ztrát v komerčním i domácím bydlení tak bude stále důležitější., Energetičtí konzultanti měří a analyzují tok energie do a ven z domů a zajišťují, že uvnitř domu je udržována zdravá výměna vzduchu. Vyhlídky na práci energetického konzultanta jsou silné.

Problém-Řešení Strategie pro Metody Přenosu Tepla

1. Zkoumat situaci, aby určit, jaký typ přenosu tepla je zapojen.
2. Identifikujte Typ / typy přenosu tepla-vedení, konvekce nebo záření.
3. přesně určete, co je třeba v problému určit (Identifikujte neznámé). Písemný seznam je velmi užitečný.,
4. Vytvořte seznam toho, co je dáno nebo může být odvozeno z problému, jak je uvedeno (identifikujte knowns).
5. vyřešte příslušnou rovnici pro množství, které má být určeno (neznámé).
6. pro vedení je vhodná rovnice \ displaystyle \ frac{Q}{T}= \ frac{ka\left(T_2-T_1\ right)}{d}\. Tabulka 1 ve vedení uvádí tepelné vodivosti. Pro konvekce, určit množství hmoty se přestěhoval a pomocí rovnice Q = mcΔT, pro výpočet přenosu tepla podílejí na změně teploty kapaliny., Pokud změna fáze doprovází konvekci, rovnice Q = mLf nebo Q = mLv je vhodná k nalezení přenosu tepla zapojeného do fázové změny. Tabulka 1 ve změně fáze a latentní teplo uvádí informace týkající se změny fáze. Pro záření, rovnice \displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}} {t}=\sigma{e} a\left(t^4_2-t^4_1\right)\\ dává čistou rychlost přenosu tepla.
7. vložte knowns spolu s jejich jednotkami do příslušné rovnice a získejte numerická řešení kompletní s jednotkami.
8. zkontrolujte odpověď, zda je přiměřená. Dává to smysl?,

koncepční otázky

1. při sledování denního cirkusu ve velkém tmavém stanu cítíte významný přenos tepla ze stanu. Vysvětlete, proč k tomu dojde.
2. satelity určené k pozorování záření ze studeného (3 K) tmavého prostoru mají senzory, které jsou zastíněny od Slunce, Země a Měsíce a které jsou chlazeny na velmi nízké teploty. Proč musí být senzory při nízké teplotě?
3. proč jsou zatažené noci obecně teplejší než jasné?,
4. proč jsou teploměry, které se používají v meteorologických stanicích, chráněny před slunečním zářením? Co měří teploměr, pokud je chráněn před slunečním zářením a také pokud není?
5. v průměru by Země byla teplejší nebo chladnější bez atmosféry? Vysvětlete svou odpověď.

Problémy & Cvičení

1. Na co se čistá míra se teplo vyzařuje z 275 m2 černá střecha v noci, když je střecha je teplota 30.0 ° C a okolní teplota 15.0 ° C? Emisivita střechy je 0,900.,
2. (a) Cherry-červené uhlíky v krbu jsou na 850ºC a exponované oblasti 0.200 m2 a emisivitou 0.980. Okolní místnost má teplotu 18,0 ºC. Pokud do místnosti vstoupí 50% sálavé energie, jaká je čistá rychlost přenosu sálavého tepla v kilowattech? (b) podporuje vaše odpověď tvrzení, že většina přenosu tepla do místnosti u krbu pochází z infračerveného záření?
3. záření znemožňuje stát v blízkosti horkého lávového toku. Vypočítejte rychlost přenosu tepla zářením z 1,00 m2 čerstvé lávy 1200 ° C do 30.,0ºc okolí, za předpokladu, že emisivita lávy je 1.00.
4. (a) vypočítejte rychlost přenosu tepla zářením z automobilového chladiče při 110ºC do prostředí 50.0 ºC, pokud má radiátor emisivitu 0.750 a plochu 1.20-m2. b) je to významný zlomek přenosu tepla automobilovým motorem? Chcete-li odpovědět, předpokládejte výkon 200 koní(1,5 kW) a účinnost automobilových motorů jako 25%.
5. najděte čistou rychlost přenosu tepla zářením od lyžaře stojícího ve stínu, vzhledem k následujícím skutečnostem., Je zcela oblečená v bílé barvě (hlava k noze, včetně lyžařské masky), oblečení má emisivitu 0.200 a povrchovou teplotu 10.0 ºC, okolí je při−15.0 ºC a její povrchová plocha je 1.60 m2.
6. Předpokládejme, že vejdete do sauny, která má okolní teplotu 50,0 ºC. (a) Vypočítat rychlost přenosu tepla k vám záření vzhledem k vaší pleti teplota 37.0 ° C, emisivita kůže je 0.98, a povrch vašeho těla je 1,50 m2., (b) pokud jsou všechny ostatní formy přenosu tepla vyvážené (čistý přenos tepla je nulový), jakou rychlostí se vaše tělesná teplota zvýší, pokud je vaše hmotnost 75,0 kg?
7. termografie je technika pro měření sálavého tepla a detekci změn povrchových teplot, které mohou být lékařsky, ekologicky nebo vojensky smysluplné.(a) Jaká je procentuální zvýšení rychlosti přenosu tepla radiací z dané oblasti při teplotě 34.0 ° C ve srovnání s, že v 33.0 ° C, například na kůži člověka?, b) jaký je procentní nárůst rychlosti přenosu tepla zářením z dané oblasti při teplotě 34,0 ºC ve srovnání s rychlostí 20,0 ºC, například u teplých a chladných automobilových digestoří?
   

   Obrázek 8. Umělcovo ztvárnění termografu horní části těla pacienta, ukazující rozložení tepla reprezentovaného různými barvami.

8. slunce vyzařuje jako dokonalé černé tělo s emisivitou přesně 1. a) vypočítejte povrchovou teplotu Slunce, vzhledem k tomu, že se jedná o kouli se 7.,Poloměr 00 × 108-m, který vyzařuje 3,80 × 1026 W do prostoru 3 K. b) kolik energie vyzařuje slunce na metr čtvereční jeho povrchu? (c) kolik energie ve wattech na metr čtvereční je tato hodnota ve vzdálenosti Země, 1,50 × 1011 m daleko? (Toto číslo se nazývá sluneční konstanta.)
9. velké tělo lávy ze sopky přestalo proudit a pomalu ochlazuje. Vnitřek lávy je na 1200ºC, jeho povrch je na 450ºC a okolí je na 27.0 ºC. a) vypočítejte rychlost přenosu energie zářením od 1.,00 m2 povrchové lávy do okolí, za předpokladu, že emisivita je 1.00. b) Předpokládejme, že vedení tepla na povrch probíhá stejnou rychlostí. Jaká je tloušťka lávy mezi povrchem 450ºC a interiérem 1200ºC za předpokladu, že vodivost lávy je stejná jako u cihel?
10. Vypočítejte teplotu, kterou by musela být celá obloha, aby bylo možné přenášet energii zářením při 1000 W / m2—o rychlosti, jakou slunce vyzařuje, když je přímo nad hlavou za jasného dne., Tato hodnota je efektivní teplota oblohy, druh průměru, který bere v úvahu skutečnost, že Slunce zaujímá jen malou část oblohy, ale je mnohem teplejší než ostatní. Předpokládejme, že tělo, které přijímá energii, má teplotu 27,0 ºC.
11. (a) jezdec bez košile pod cirkusovým stanem cítí teplo vyzařující ze sluncem osvětlené části stanu. Výpočet teploty stanu plátno založen na následující informace: bez trička jezdce teplota kůže je 34.0 ° C a emisivitou 0.970. Exponovaná oblast kůže je 0,400 m2., Dostává záření rychlostí 20,0 W—polovinu toho, co byste vypočítali, kdyby celá oblast za ním byla horká. Zbytek okolí je na 34.0 ºC. b) diskutujte o tom, jak by se tato situace změnila, kdyby slunná strana stanu byla téměř čistě bílá a kdyby byl jezdec pokryt bílou tunikou.
12. integrované koncepty. Jeden den 30.0 ºC relativní vlhkost je 75.0% a ten večer teplota klesne na 20.0 ºC, hluboko pod rosný bod. a) kolik gramů vody kondenzuje z každého kubického metru vzduchu? b) kolik tepla dochází touto kondenzací?, c) jaké zvýšení teploty by mohlo způsobit na suchém vzduchu?
13. integrované koncepty. Velké meteory někdy udeří na Zemi a přeměňují většinu své kinetické energie na tepelnou energii. a) jaká je kinetická energie meteoru o hmotnosti 109 kg, který se pohybuje rychlostí 25,0 km / s? b) pokud tento meteor přistane v hlubokém oceánu a 80% jeho kinetické energie přejde do topné vody, kolik kilogramů vody by se mohlo zvýšit o 5,0 ° C? c) diskutovat o tom, jak je energie meteoru s větší pravděpodobností uložena v oceánu a o pravděpodobných účincích této energie.
14. integrované koncepty., Zmrazený odpad z toalet letadla byl někdy náhodně vyhozen ve vysoké nadmořské výšce. Obvykle se rozpadá a rozptýlí se na velké ploše, ale někdy drží pohromadě a udeří na zem. Vypočítejte hmotnost 0 ° C ledu, které mohou být rozpuštěné přeměna kinetické a gravitační potenciální energie, když 20.0 kg kus zmrzlého odpadu je propuštěn na 12,0 km nadmořské výšky při pohybu na 250 m/s a dopadne na zem rychlostí 100 m/s (od méně než 20.0 kg taje, značný nepořádek výsledky).
15. integrované koncepty., a) velká elektrická elektrárna produkuje 1600 MW „odpadního tepla“, které se odvádí do životního prostředí v chladicích věžích zahříváním vzduchu protékajícího věžemi o 5,00 ºC. Jaký je potřebný průtok vzduchu v m3 / s? (b) je váš výsledek v souladu s velkými chladicími věžemi používanými mnoha velkými elektrickými elektrárnami?
16. integrované koncepty. (a) předpokládejme, že začnete cvičit na schodišti a produkujete sílu stejným tempem jako lezení po 116 schodech za minutu. Za předpokladu, že vaše hmotnost je 76,0 kg a vaše účinnost je 20.,0%, jak dlouho bude trvat, než se vaše tělesná teplota zvýší o 1,00 ºC, pokud budou všechny ostatní formy přenosu tepla dovnitř a ven z vašeho těla vyvážené? (b) je to v souladu s vašimi zkušenostmi s teplem při cvičení?
17. integrované koncepty. Osoba o hmotnosti 76,0 kg, která trpí hypotermií, přichází dovnitř a intenzivně se třese. Jak dlouho trvá přenos tepla ke zvýšení tělesné teploty osoby o 2,00 ºC, pokud jsou všechny ostatní formy přenosu tepla vyvážené?
18. integrované koncepty. V některých velkých geografických oblastech je podkladová hornina horká., Studny mohou být vyvrtány a voda cirkulována horninou pro přenos tepla pro výrobu elektřiny. a) vypočítejte přenos tepla, který lze extrahovat chlazením 1.00 km3 žuly o 100ºc. (b) Jak dlouho bude trvat přenos tepla ve výši 300 MW, za předpokladu, že žádné teplo se přenáší zpět do 1.00km3 of rock, které jeho okolí?
19. integrované koncepty. Teplo se přenáší z plic a dýchacích cest odpařováním vody. (a) vypočítejte maximální počet gramů vody, které lze odpařit při vdechnutí 1.,50 L 37 ° C vzduchu s původní relativní vlhkostí 40,0%. (Předpokládejme, že tělesná teplota je také 37ºC.) b) kolik joulů energie je zapotřebí k odpaření tohoto množství? (c) jaká je rychlost přenosu tepla ve wattech z této metody, pokud dýcháte normální klidovou rychlostí 10,0 dechů za minutu?
20. integrované koncepty. a) jaký je nárůst teploty vody o 55,0 m nad Niagarskými vodopády? b) jaká frakce se musí odpařit, aby byla teplota konstantní?
21. integrované koncepty. Horký vzduch stoupá, protože se rozšířil., Poté vytlačuje větší objem studeného vzduchu, což zvyšuje vztlakovou sílu. a) vypočítejte poměr vztlakové síly k hmotnosti vzduchu 50,0 ºC obklopeného vzduchem 20,0 ºC. b) jaká energie je potřebná k tomu, aby se 1,00 m3 vzduchu pohybovalo od 20,0 ºC do 50,0 ºC? c) jakou gravitační potenciální energii získává tento objem vzduchu, pokud stoupne o 1,00 m? Způsobí to výrazné ochlazení vzduchu?
22. nepřiměřené výsledky. (a) Jaká je teplota zvýší o 80.0 kg osoba, která spotřebuje 2500 kcal potravin v jeden den s 95.0% energie převedené jako teplo do těla?, b) co je na tomto výsledku nepřiměřené? c) který předpoklad nebo předpoklad je zodpovědný?
23. nepřiměřené výsledky. Mírně vyšinutý Arctic vynálezce obklopeni ledem si myslí, že by bylo mnohem méně mechanicky složité vychladnout motor auta tím, že tání ledu na to, než tím, že má vodou chlazený systém s chladiče, vodní čerpadlo, nemrznoucí směsi, a tak dále. (a) Pokud 80.0% energie v 1.00 gal benzínu je převeden do „odpadní teplo“ v motoru auta, kolik kilogramů 0 ° C led může roztavit? b) je to přiměřené množství ledu, které je třeba nosit, aby se motor ochladil na 1.,00 gal spotřeby benzínu? c) jaké prostory nebo předpoklady jsou nepřiměřené?
24. nepřiměřené výsledky. a) vypočítejte rychlost přenosu tepla vedením oknem o ploše 1,00 m2 o tloušťce 0,750 cm, pokud je jeho vnitřní povrch 22,0 ºC a jeho vnější povrch je 35,0 ºC. b) co je na tomto výsledku nepřiměřené? c) který předpoklad nebo předpoklad je zodpovědný?
25. nepřiměřené výsledky. Meteorit o průměru 1,20 cm je tak horký ihned po proniknutí do atmosféry, že vyzařuje 20,0 kW výkonu., a) jaká je jeho teplota, pokud je okolí na 20.0 ºC a má emisivitu 0.800? b) co je na tomto výsledku nepřiměřené? c) který předpoklad nebo předpoklad je zodpovědný?
26. Vytvořte si svůj vlastní problém. Vezměme si nový model komerčního letounu, který má své brzdy testovány jako součást počátečního postupu povolení letu. Letadlo je přivedeno k rychlosti vzletu a poté zastaveno pouze brzdami. Vytvořte problém, ve kterém vypočítáte zvýšení teploty brzd během tohoto procesu., Můžete předpokládat, že většina kinetické energie letadla je přeměněna na tepelnou energii v brzdách a okolních materiálech a že málo uniká. Všimněte si, že se očekává, že brzdy se v tomto postupu stanou tak horkými, že se vznítí, a aby letoun prošel zkouškou, musí být schopen odolat požáru po určitou dobu bez obecného požáru.
27. Vytvořte si svůj vlastní problém. Zvažte osobu venku v chladné noci. Vytvořte problém, ve kterém vypočítáte rychlost přenosu tepla od osoby všemi třemi způsoby přenosu tepla., Proveďte počáteční okolnosti tak, aby v klidu osoba měla čistý přenos tepla a poté se rozhodněte, kolik fyzické aktivity zvoleného typu je nezbytné k vyrovnání rychlosti přenosu tepla. Mezi věci, které je třeba zvážit, patří velikost osoby, typ oblečení, počáteční rychlost metabolismu, podmínky oblohy, množství odpařené vody a objem vdechovaného vzduchu. Samozřejmě existuje mnoho dalších faktorů, které je třeba zvážit, a váš instruktor vás může chtít vést v předpokladech, jakož i podrobnostech analýzy a způsobu prezentace vašich výsledků.,

    skleníkový efekt: oteplování Země, které je způsobeno plyny jako oxid uhličitý a metan, které absorbují infračervené záření od Zemského povrchu a reradiate ve všech směrech, proto posílám zlomek zpátky k povrchu Země,

    čistá míra přenosu tepla radiací je \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\vpravo)\\

    záření: energie převedeny pomocí elektromagnetických vln přímo jako výsledek rozdílu teplot

    Vybrané Řešení Problémů & Cvičení

    1., -21,7 kW; všimněte si, že negativní odpověď znamená tepelné ztráty okolí.

    3. -266 kW

    5. -36, 0 W

    7. a) 1, 31%; b) 20, 5%

    9. a) -15,0 kW; b) 4,2 cm

    11. (a) 48.5 ° C; (b) čistý bílý objekt odráží více zářivé energie, která zasáhne to, tak bílý stan by se zabránilo více slunečního záření, zahřívání uvnitř stanu, a bílé tunice by zabránilo tomu, že teplo, které vstoupily do stanu od topení jezdce. Proto by U Bílého stanu byla teplota nižší než 48.,5ºc a rychlost sálavého tepla přeneseného na jezdce by byla menší než 20,0 w.

    13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) Při velké meteor udeří do oceánu, to způsobuje velké přílivové vlny, pohlcovat velké množství energie ve formě kinetické energie vody.

    15. a) 3,44 × 105 m3/s; b) to odpovídá 12 milionům kubických stop vzduchu za sekundu. To je ohromné. To je příliš velké na to, aby se rozptýlilo zahříváním vzduchu pouze o 5 ° C. Mnoho z těchto chladicích věží využívá cirkulaci chladnějšího vzduchu nad teplejší vodou ke zvýšení rychlosti odpařování., To by umožnilo mnohem menší množství vzduchu nutné odstranit tak velké množství tepla, protože odpařování odstraňuje větší množství tepla, než bylo v části (a).

    17. 20, 9 min

    19. (a) 3.96 × 10-2 g; (b) 96.2 J; (c) 16.0 W

    21. (a) 1.102; (b) 2.79 × 104 J; (c) 12.6. J. To nebude mít výrazné ochlazení vzduchu, protože to je mnohem méně, než energie, které se nacházejí v části (b), což je energie potřebná k zahřátí vzduchu z 20.0 ° C až 50.0 ° C.

    22. a) 36ºC; b) jakékoli zvýšení teploty vyšší než asi 3ºc by bylo nepřiměřeně velké., V tomto případě by konečná teplota osoby stoupla na 73ºC (163ºf); c) předpoklad 95% zadržování tepla je nepřiměřený.

    24. a) 1,46 kW; b) velmi vysoká ztráta výkonu oknem. Elektrický ohřívač tohoto výkonu může udržovat celou místnost v teple; (c) povrchové teploty okna se neliší o tak velké množství, jak se předpokládalo. Vnitřní povrch bude teplejší a vnější povrch bude chladnější.