Rayonnement / physique

objectifs D’apprentissage

à la fin de cette section, vous pourrez:

discuter du transfert de chaleur par rayonnement.
expliquez la puissance des différents matériaux.

Vous pouvez sentir le transfert de chaleur du feu et du Soleil. De même, vous pouvez parfois dire que le four est chaud sans toucher sa porte ou regarder à l’intérieur—il peut juste vous réchauffer pendant que vous passez. L’espace entre la Terre et le Soleil est en grande partie vide, sans possibilité de transfert de chaleur par convection ou conduction., Dans ces exemples, la chaleur est transférée par rayonnement. C’est-à-dire que le corps chaud émet des ondes électromagnétiques qui sont absorbées par notre peau: aucun milieu n’est nécessaire pour que les ondes électromagnétiques se propagent. Différents noms sont utilisés pour les ondes électromagnétiques de différentes longueurs d’onde: ondes radio, micro-ondes, rayonnement infrarouge, lumière visible, rayonnement ultraviolet, rayons X et rayons gamma.

la Figure 1. La majeure partie du transfert de chaleur de ce feu aux observateurs se fait par rayonnement infrarouge., La lumière visible, bien que spectaculaire, transfère relativement peu d’énergie thermique. La Convection transfère l’énergie loin des observateurs lorsque l’air chaud monte, tandis que la conduction est négligemment lente ici. La peau est très sensible au rayonnement infrarouge, de sorte que vous pouvez sentir la présence d’un feu sans le regarder directement. (crédit: Daniel X. O’Neil)

l’énergie du rayonnement électromagnétique dépend de la longueur d’onde (couleur) et varie sur une large plage: une longueur d’onde plus petite (ou une fréquence plus élevée) correspond à une énergie plus élevée., Parce que plus de chaleur est rayonnée à des températures plus élevées, un changement de température s’accompagne d’un changement de couleur. Prenons, par exemple, un élément électrique sur un poêle, qui brille du rouge à l’orange, tandis que l’acier à température plus élevée dans un haut fourneau brille du jaune au blanc. Le rayonnement que vous ressentez est principalement infrarouge, ce qui correspond à une température inférieure à celle de l’élément électrique et de l’acier. L’énergie rayonnée dépend de son intensité, qui est représentée sur la Figure 2 par la hauteur de la distribution.,

ondes électromagnétiques explique plus sur le spectre électromagnétique et Introduction à la physique quantique explique comment la diminution de la longueur d’onde correspond à une augmentation de l’énergie.

la Figure 2. a) un graphique des spectres des ondes électromagnétiques émises par un radiateur idéal à trois températures différentes. L’intensité ou le taux d’émission de rayonnement augmente considérablement avec la température, et le spectre se déplace vers les parties visibles et ultraviolettes du spectre., Le ombrées désigne la partie visible du spectre. Il est évident que le déplacement vers l’ultraviolet avec la température fait passer l’apparence visible du rouge au blanc au bleu à mesure que la température augmente. B) noter les variations de couleur correspondant aux variations de température de flamme. (crédit: Tuohirulla)

la Figure 3. Cette illustration montre que la chaussée plus sombre est plus chaude que la chaussée plus claire (beaucoup plus de glace à droite a fondu), bien que les deux aient été exposés au soleil pendant le même temps., Les conductivités thermiques des chaussées sont les mêmes.

Tous les objets absorbent et émettent un rayonnement électromagnétique. Le taux de transfert de chaleur par rayonnement est largement déterminé par la couleur de l’objet. Le noir est le plus efficace et le blanc le moins efficace. Les personnes vivant dans des climats chauds évitent généralement de porter des vêtements noirs ,par exemple (voir expérience à emporter: température au soleil). De même, l’asphalte noir dans un parking sera plus chaud que le trottoir gris adjacent un jour d’été, car le noir absorbe mieux que le gris., L’inverse est également vrai-le noir rayonne mieux que le gris. Ainsi, par une nuit d’été claire, l’asphalte sera plus froid que le trottoir gris, car le noir irradie l’énergie plus rapidement que le gris. Un radiateur idéal est de la même couleur qu’un absorbeur idéal et capture tout le rayonnement qui tombe dessus. En revanche, le blanc est une mauvaise absorbeur et est également un mauvais radiateur. Un objet blanc reflète tout le rayonnement, comme un miroir. (Une surface blanche parfaite et polie ressemble à un miroir et un miroir écrasé semble blanc.,)

Les objets gris ont une capacité uniforme à absorber toutes les parties du spectre électromagnétique. Les objets colorés se comportent de manière similaire mais plus complexe, ce qui leur donne une couleur particulière dans la plage visible et peut les rendre spéciaux dans d’autres plages du spectre non visible. Prenez, par exemple, la forte absorption du rayonnement infrarouge par la peau, ce qui nous permet d’être très sensibles.

la Figure 4. Un objet noir est un bon absorbeur et un bon radiateur, tandis qu’un objet blanc (ou argenté) est un mauvais absorbeur et un mauvais radiateur., C’est comme si le rayonnement de l’intérieur qui se reflète dans l’objet en argent, tandis que le rayonnement de l’intérieur de l’objet noir est « absorbé” quand il frappe la surface et se retrouve sur l’extérieur et est fortement émis.

la vitesse de transfert de chaleur par rayonnement émis est déterminée par la loi de Stefan-Boltzmann du rayonnement:

\displaystyle\frac{Q}{t}=\sigma{e}AT^{4}\\,

Où σ = 5,67 × 10-8 J/S · m2 · K4 est la constante de Stefan-Boltzmann, un est la surface de l’objet, et T est sa température absolue en Kelvin., Le symbole e représente l’émissivité de l’objet, qui est une mesure de la façon dont il rayonne. Un radiateur idéal noir de jais (ou corps noir) A e = 1, alors qu’un réflecteur parfait A e = 0. Les objets réels se situent entre ces deux valeurs. Prenons, par exemple, les filaments d’ampoule de tungstène qui ont un e d’environ 0,5, et le noir de carbone (un matériau utilisé dans le toner d’imprimante), qui a l’émissivité (la plus grande connue) d’environ 0,99.

le taux de rayonnement est directement proportionnel à la quatrième puissance de la température absolue—une dépendance à la température remarquablement forte., En outre, la chaleur rayonnée est proportionnelle à la surface de l’objet. Si vous démontez les charbons d’un feu, il y a une augmentation notable du rayonnement due à une augmentation de la surface rayonnante.

la Figure 5. Un thermographe d’une partie d’un bâtiment montre des variations de température, indiquant où le transfert de chaleur vers l’extérieur est le plus sévère. Les fenêtres sont une région importante de transfert de chaleur vers l’extérieur des maisons. (crédit: États-Unis, Armée)

Skin est un excellent absorbeur et émetteur de rayonnement infrarouge, ayant une émissivité de 0,97 dans le spectre infrarouge. Ainsi, nous sommes tous presque (jet) noir dans l’infrarouge, malgré les variations évidentes de la couleur de la peau. Cette forte émissivité infrarouge est la raison pour laquelle nous pouvons si facilement sentir le rayonnement sur notre peau. C’est également la base de l’utilisation de portées nocturnes utilisées par les forces de l’ordre et l’armée pour détecter les êtres humains. Même de petites variations de température peuvent être détectées en raison de la dépendance T4., Les Images, appelées thermographes, peuvent être utilisées médicalement pour détecter des régions de température anormalement élevée dans le corps, peut-être révélatrices d’une maladie. Des techniques similaires peuvent être utilisées pour détecter les fuites de chaleur dans les maisons Figure 5, optimiser les performances des hauts fourneaux, améliorer les niveaux de confort dans les environnements de travail et même cartographier à distance le profil de température de la Terre.

Tous les objets émettent et absorbent le rayonnement. Le taux net de transfert de chaleur par rayonnement (absorption moins émission) est lié à la fois à la température de l’objet et à la température de son environnement., En supposant qu’un objet avec une température T1 est entouré d’un environnement avec une température uniforme T2, le taux net de transfert de chaleur par rayonnement est

\displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}{t}=\sigma{e}^\left(T^4_2-t^4_1\right)\\,

Take-Home Experiment: Temperature in the Sun

placez un thermomètre au soleil et protégez-le de la lumière directe du soleil à l’aide d’une feuille d’aluminium. Qu’est-ce que la lecture? Maintenant, retirez le bouclier et notez ce que le thermomètre lit., Prendre un mouchoir imbibé de dissolvant, l’enrouler autour du thermomètre et le placer dans le soleil. Que lit le thermomètre?

La Terre reçoit presque toute son énergie du rayonnement du Soleil et en réfléchit une partie dans l’espace. Parce que le Soleil est plus chaud que la Terre, le flux d’énergie net est du soleil vers la Terre. Cependant, le taux de transfert d’énergie est inférieur à ce que l’équation du transfert de chaleur radiatif pourrait prédire parce que le soleil ne remplit pas le ciel. L’émissivité moyenne (e) de la Terre est d’environ 0.,65, mais le calcul de cette valeur est compliqué par le fait que la couverture nuageuse hautement réfléchissante varie considérablement d’un jour à l’autre. Il y a une rétroaction négative (dans laquelle un changement produit un effet qui s’oppose à ce changement) entre les nuages et le transfert de chaleur; des températures plus élevées évaporent plus d’eau pour former plus de nuages, qui réfléchissent plus de rayonnement dans l’espace, réduisant la température. L’effet de serre souvent mentionné est directement lié à la variation de l’émissivité de la Terre avec le type de rayonnement (voir Figure 6)., L’effet de serre est un phénomène naturel responsable de fournir des températures adaptées à la vie sur Terre. La température relativement constante de la Terre est le résultat de l’équilibre énergétique entre le rayonnement solaire entrant et l’énergie rayonnée de la Terre. La majeure partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre est absorbée par le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O) dans l’atmosphère, puis ré-rayonnée vers la terre ou dans l’espace extra-atmosphérique., Le re-rayonnement vers la Terre maintient sa température de surface environ 40ºC plus élevée qu’elle ne le serait s’il n’y avait pas d’atmosphère, semblable à la façon dont le verre augmente les températures dans une serre.

la Figure 6. L’effet de serre est un nom donné au piégeage de l’énergie dans l’atmosphère terrestre par un processus similaire à celui utilisé dans les serres. L’atmosphère, comme le verre de fenêtre, est transparente aux rayonnements visibles entrants et à la plupart des infrarouges du Soleil. Ces longueurs d’onde sont absorbées par la Terre et réémises sous forme infrarouge., Puisque la température de la Terre est beaucoup plus basse que celle du Soleil, l’infrarouge rayonné par la Terre a une longueur d’onde beaucoup plus longue. L’atmosphère, comme le verre, piège ces rayons infrarouges plus longs, gardant la terre plus chaude qu’elle ne le serait autrement. La quantité de piégeage dépend des concentrations de gaz traces comme le dioxyde de carbone, et un changement de la concentration de ces gaz est censé affecter la température de surface de la Terre.,

l’effet de serre est également au cœur de la discussion sur le réchauffement climatique dû aux émissions de dioxyde de carbone et de méthane (et d’autres gaz dits à effet de serre) dans l’atmosphère terrestre provenant de la production industrielle et de l’Agriculture. Les changements climatiques mondiaux pourraient entraîner des tempêtes plus intenses, des changements de précipitations (affectant l’agriculture), une réduction de la biodiversité des forêts tropicales humides et une élévation du niveau de la mer.

la Figure 7., Ce cuiseur solaire simple mais efficace utilise l’effet de serre et le matériau réfléchissant pour piéger et retenir l’énergie solaire. Fabriqué à partir de matériaux peu coûteux et durables, il permet d’économiser de l’argent et de la main-d’œuvre, et revêt une valeur économique particulière dans les pays en développement pauvres en énergie. (crédit: E. B. Kauai)

le chauffage et la climatisation contribuent souvent de manière significative à la consommation d’énergie dans les maisons individuelles., Les efforts de recherche actuels dans le développement de maisons respectueuses de l’environnement se concentrent souvent sur la réduction du chauffage et du refroidissement conventionnels grâce à de meilleurs matériaux de construction, le positionnement stratégique des fenêtres pour optimiser le gain de rayonnement du Soleil et l’ouverture des espaces pour permettre la convection. Il est possible de construire une maison à énergie zéro qui permet une vie confortable dans la plupart des régions des États-Unis avec des étés chauds et humides et des hivers froids.

inversement, l’espace sombre est très froid, environ 3K (- 454ºF), de sorte que la Terre rayonne de l’énergie dans le ciel sombre., En raison du fait que les nuages ont une émissivité plus faible que les océans ou les masses terrestres, ils réfléchissent une partie du rayonnement vers la surface, réduisant considérablement le transfert de chaleur dans l’espace sombre, tout comme ils réduisent considérablement le transfert de chaleur dans l’atmosphère pendant la journée. Le taux de transfert de chaleur du sol et des herbes peut être si rapide que le gel peut se produire lors des soirées d’été claires, même sous des latitudes chaudes.

Vérifiez votre compréhension

Quelle est la variation de la vitesse de la chaleur rayonnée par un corps à la température T1 = 20ºC par rapport à lorsque le corps est à la température T2 = 40ºC?,

la Solution

La chaleur rayonnée est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue. Comme T1 = 293 K et T2 = 313 K, le taux de transfert de chaleur augmente d’environ 30% du taux initial.

lien de carrière: Consultation sur la Conservation de l’énergie

on croit généralement que le coût de l’énergie demeurera très élevé dans un avenir prévisible. Ainsi, le contrôle passif de la perte de chaleur dans les logements commerciaux et domestiques deviendra de plus en plus important., Les consultants en énergie mesurent et analysent le flux d’énergie entrant et sortant des maisons et s’assurent qu’un échange d’air sain est maintenu à l’intérieur de la maison. Les perspectives d’emploi d’un consultant en énergie sont solides.

Stratégies de Résolution de Problème pour les Méthodes de Transfert de Chaleur

Examiner la situation afin de déterminer quel type de transfert de chaleur est impliqué.
Identifiez le ou les types de transfert de chaleur—conduction, convection ou rayonnement.
identifiez exactement ce qui doit être déterminé dans le problème (identifiez les inconnues). Une liste écrite est très utile.,
faites une liste de ce qui est donné ou peut être déduit du problème comme indiqué (identifiez les knowns).
Résoudre l’équation appropriée pour la quantité à déterminer (l’inconnu).
Pour la conduction, l’équation \displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\ est approprié. Le tableau 1 de Conduction répertorie les conductivités thermiques. Pour la convection, déterminer la quantité de matière déplacée et utiliser l’équation Q = mcΔT, pour calculer le transfert de chaleur impliqué dans le changement de température du fluide., Si un changement de phase accompagne la convection, l’équation Q = mLf ou Q = mLv est appropriée pour trouver le transfert de chaleur impliqué dans le changement de phase. Le tableau 1 dans changement de Phase et chaleur latente répertorie les informations pertinentes au changement de phase. Pour le rayonnement, l’équation \ displaystyle \ frac{Q_ {\text{net}}} {t}=\sigma {e}A\left(T^4_2-T^4_1\ right)\ \ donne le taux de transfert de chaleur net.
insérez les knowns avec leurs unités dans l’équation appropriée et obtenez des solutions numériques complètes avec des unités.
Vérifiez la réponse pour voir si c’est raisonnable. Est-il judicieux?,

résumé de la Section

questions conceptuelles

lorsque vous regardez un cirque de jour dans une grande tente de couleur foncée, vous sentez un transfert de chaleur important de la tente. Expliquez pourquoi cela se produit.
Les Satellites conçus pour observer le rayonnement de l’espace sombre froid (3 K) ont des capteurs qui sont ombragés du Soleil, De La Terre et de la Lune et qui sont refroidis à des températures très basses. Pourquoi les capteurs à basse température?
pourquoi les nuits nuageuses sont-elles généralement plus chaudes que les nuits claires?,
pourquoi les thermomètres utilisés dans les stations météorologiques sont-ils protégés du soleil? Que mesure un thermomètre s’il est protégé du soleil et s’il ne l’est pas?
En moyenne, la Terre serait-elle plus chaude ou plus froide sans l’atmosphère? Expliquez votre réponse.

problèmes& exercices

à quel taux net la chaleur rayonne-t-elle d’un toit noir de 275 m2 une nuit où la température du toit est de 30,0 ºC et la température environnante de 15,0 ºC? L’émissivité du toit est de 0,900.,
(a) les braises rouge cerise dans une cheminée sont à 850ºC et ont une surface exposée de 0.200 m2 et une émissivité de 0.980. La pièce environnante a une température de 18,0 ºC. Si 50% de l’énergie rayonnante pénètre dans la pièce, Quel est le taux net de transfert de chaleur rayonnante en kilowatts? b) votre réponse appuie-t-elle l’affirmation selon laquelle la majeure partie du transfert de chaleur dans une pièce par un foyer provient du rayonnement infrarouge?
Le rayonnement rend impossible de se tenir près d’une coulée de lave chaude. Calculez le taux de transfert de chaleur par rayonnement de 1,00 m2 de lave fraîche 1200ºC en 30.,Environnement 0ºC, en supposant que l’émissivité de la lave est de 1.00.
(A) calculez le taux de transfert de chaleur par rayonnement d’un radiateur de voiture à 110ºC dans un environnement de 50,0 ºC, si le radiateur a une émissivité de 0,750 et une surface de 1,20 m2. b) S’agit-il d’une fraction importante du transfert de chaleur par un moteur d’automobile? Pour répondre à cela, supposons une puissance de 200 ch(1,5 kW) et l’efficacité des moteurs automobiles de 25%.
trouver le taux net de transfert de chaleur par rayonnement d’un skieur debout à l’ombre, compte tenu de ce qui suit., Elle est entièrement vêtue de blanc (de la tête aux pieds, y compris un masque de ski), les vêtements ont une émissivité de 0,200 et une température de surface de 10,0 ºC, les environs sont à−15,0 ºC et sa surface est de 1,60 m2.
supposons que vous entrez dans un sauna dont la température ambiante est de 50,0 ºC. (a) calculez le taux de transfert de chaleur vers vous par rayonnement étant donné que la température de votre peau est de 37,0 ºC, l’émissivité de la peau est de 0,98 et la surface de votre corps est de 1,50 m2., b) si toutes les autres formes de transfert de chaleur sont équilibrées (le transfert de chaleur net est nul), à quel rythme votre température corporelle augmentera-t-elle si votre masse est de 75,0 kg?
la thermographie est une technique de mesure de la chaleur rayonnante et de détection des variations de températures de surface qui peuvent être significatives sur le plan médical, environnemental ou militaire.a) Quel est le pourcentage d’augmentation du taux de transfert de chaleur par rayonnement d’une zone donnée à une température de 34,0 ºC par rapport à celle à 33,0 ºC, comme sur la peau d’une personne?, b) Quel est le pourcentage d’augmentation du taux de transfert de chaleur par rayonnement d’une zone donnée à une température de 34,0 ºC par rapport à celle de 20,0 ºC, par exemple pour les hottes d’automobile chaudes et froides?

la Figure 8. Interprétation d’artiste d’un thermographe du haut du corps d’un patient, montrant la distribution de la chaleur représentée par différentes couleurs.
Le Soleil rayonne comme un corps noir parfait avec une émissivité de 1. (A) calculer la température de surface du soleil, étant donné qu’il s’agit d’une sphère avec un 7.,00 × 108-m Rayon qui rayonne 3.80 × 1026 W dans 3-K espace. b) Quelle est la puissance du soleil par mètre carré de sa surface? c) Quelle est la puissance en watts par mètre carré à la distance de la Terre, à 1,50 × 1011 m? (Ce nombre est appelé la constante solaire.)
Un grand corps de lave d’un volcan a cessé de couler et se refroidit lentement. L’intérieur de la lave est à 1200ºC, sa surface est à 450ºC et les environs sont à 27.0 ºC. A) calculer la vitesse à laquelle l’énergie est transférée par rayonnement à partir de 1.,00 m2 de lave de surface dans les environs, en supposant que l’émissivité est de 1,00. B) supposons que la conduction de chaleur à la surface se produise au même rythme. Quelle est l’épaisseur de la lave entre la surface 450ºC et l’intérieur 1200ºC, en supposant que la conductivité de la lave est la même que celle de la brique?
Calculez la température que le ciel entier devrait avoir pour transférer de l’énergie par rayonnement à 1000 W/m2—à peu près la vitesse à laquelle le soleil rayonne lorsqu’il est directement au-dessus par temps clair., Cette valeur est la température effective du ciel, une sorte de moyenne qui prend en compte le fait que le Soleil n’occupe qu’une petite partie du ciel, mais est beaucoup plus chaud que le reste. Supposons que le corps recevant l’énergie a une température de 27,0 ºC.
(a) un cavalier torse nu sous une tente de cirque sent la chaleur rayonner de la partie ensoleillée de la tente. Calculez la température de la toile de tente en fonction des informations suivantes: la température de la peau du Cavalier torse nu est de 34,0 ºC et a une émissivité de 0,970. La zone exposée de la peau est de 0.400 m2., Il reçoit un rayonnement de 20,0 W-la moitié de ce que vous calculeriez si toute la région derrière lui était chaude. Le reste des environs est à 34,0 ºC. (B) discuter de la façon dont cette situation changerait si le côté ensoleillé de la tente était presque blanc pur et si le cavalier était couvert d’une tunique blanche.
l’intégration des Concepts. Un jour de 30,0 ºC, l’humidité relative est de 75,0%, et ce soir-là, la température tombe à 20,0 ºC, bien en dessous du point de rosée. A) Combien de grammes d’eau se condensent par mètre cube d’air? b) combien de transfert de chaleur se produit par cette condensation?, c) quelle augmentation de température cela pourrait-il provoquer dans l’air sec?
l’intégration des Concepts. Les grands météores frappent parfois la Terre, convertissant la majeure partie de leur énergie cinétique en énergie thermique. (a) Quelle est l’énergie cinétique d’un 109 kg météore se déplaçant à 25.0 km/s? b) si ce météore atterrit dans un océan profond et que 80% de son énergie cinétique va dans l’eau de chauffage, combien de kilogrammes d’eau pourrait-il augmenter de 5,0 ºC? C) examiner comment l’énergie du météore est plus susceptible de se déposer dans l’océan et les effets probables de cette énergie.
l’intégration des Concepts., Les déchets congelés des toilettes d’avion ont parfois été accidentellement éjectés à haute altitude. Habituellement, il se brise et se disperse sur une grande surface, mais parfois il tient ensemble et frappe le sol. Calculez la masse de glace 0ºC qui peut être fondue par la conversion de l’énergie potentielle cinétique et gravitationnelle lorsqu’un morceau de déchets congelés de 20,0 kg est libéré à 12,0 km d’altitude tout en se déplaçant à 250 m/s et heurte le sol à 100 m/s (puisque moins de 20,0 kg fond, un désordre significatif
l’intégration des Concepts., (a) une grande installation électrique produit 1 600 MW de « chaleur résiduelle”, qui est dissipée dans l’environnement des tours de refroidissement en réchauffant l’air circulant à travers les tours de 5,00 ºC. Quel est le débit d’air en m3/s? b) Votre résultat est-il conforme aux grandes tours de refroidissement utilisées par de nombreuses grandes centrales électriques?
l’intégration des Concepts. (a) supposons que vous commenciez une séance d’entraînement sur un Stairmaster, produisant de la puissance au même rythme que l’escalade de 116 escaliers par minute. En supposant que votre masse est de 76,0 kg et votre efficacité est de 20.,0%, combien de temps faudra-t-il pour que la température de votre corps augmente de 1,00 ºC si toutes les autres formes de transfert de chaleur Dans et hors de votre corps sont équilibrées? (b) est-ce cohérent avec votre expérience de vous réchauffer pendant l’exercice?
l’intégration des Concepts. Une personne de 76,0 kg souffrant d’hypothermie rentre à l’intérieur et frissonne vigoureusement. Combien de temps faut-il au transfert de chaleur pour augmenter la température corporelle de la personne de 2,00 ºC si toutes les autres formes de transfert de chaleur sont équilibrées?
l’intégration des Concepts. Dans certaines grandes régions géographiques, la roche sous-jacente est chaud., Les puits peuvent être forés et l’eau distribuée à travers la roche pour le transfert de chaleur pour la production d’électricité. (A) calculer le transfert de chaleur qui peut être extrait en refroidissant 1,00 km3 de granit par 100ºC. b) combien de temps faudra-t-il pour un transfert de chaleur à raison de 300 MW, en supposant qu’il n’y ait pas de transfert de chaleur dans les 1,00 km3 de roche par ses environs?
l’intégration des Concepts. Transferts de chaleur de vos poumons et des voies respiratoires par évaporation de l’eau. a) calculez le nombre maximal de grammes d’eau qui peut s’évaporer lorsque vous inspirez 1.,50 L d’air à 37ºC avec une humidité relative d’origine de 40,0%. (Supposons que la température corporelle est également de 37ºC. b) combien de joules d’énergie sont nécessaires pour évaporer cette quantité? (c) Quel est le taux de transfert de chaleur en watts de cette méthode, si vous respirez à un taux de repos normal de 10,0 respirations par minute?
l’intégration des Concepts. a) Quelle est l’augmentation de température de l’eau tombant de 55,0 m au-dessus des chutes Niagara? (b) Quelle fraction doit s’évaporer pour maintenir la température constante?
l’intégration des Concepts. L’air chaud monte parce qu’il s’est élargi., Il déplace alors un plus grand volume d’air froid, ce qui augmente la force de flottaison sur celui-ci. A) calculer le rapport entre la force de flottaison et le poids de 50,0 ºC d & apos; air entouré de 20,0 ºC d & apos; air. b) quelle énergie est nécessaire pour faire passer 1,00 m3 d’air de 20,0 ºC à 50,0 ºC? c) quelle énergie potentielle gravitationnelle est gagnée par ce volume d’air s’il s’élève à 1,00 m? Cela entraînera-t-il un refroidissement important de l’air?
résultats déraisonnables. a) Quelle est l’augmentation de la température d’une personne de 80,0 kg qui consomme 2500 kcal de nourriture en une journée avec 95,0% de l’énergie transférée sous forme de chaleur au corps?, b) En quoi ce résultat est-il déraisonnable? c) quelle prémisse ou hypothèse est responsable?
résultats déraisonnables. Un inventeur Arctique légèrement dérangé entouré de glace pense qu’il serait beaucoup moins complexe mécaniquement de refroidir un moteur de voiture en faisant fondre de la glace dessus qu’en ayant un système refroidi à l’eau avec un radiateur, une pompe à eau, un antigel, etc. a) Si 80,0% de l’énergie contenue dans 1,00 gal d’essence est convertie en « chaleur perdue” dans un moteur de voiture, combien de kilogrammes de glace 0ºC pourrait-elle fondre? (b) s’agit-il d’une quantité raisonnable de glace à transporter pour refroidir le moteur pendant 1.,00 gal de consommation d’essence? C) quelles prémisses ou hypothèses sont déraisonnables?
résultats déraisonnables. A) calculer le taux de transfert de chaleur par conduction à travers une fenêtre d & apos; une superficie de 1,00 m2 et d & apos; une épaisseur de 0,750 cm, si sa surface intérieure est à 22,0 ºC et sa surface extérieure à 35,0 ºC. b) En quoi ce résultat est-il déraisonnable? c) quelle prémisse ou hypothèse est responsable?
résultats déraisonnables. Une météorite de 1,20 cm de diamètre est si chaude immédiatement après avoir pénétré dans l’atmosphère qu’elle rayonne 20,0 kW de puissance., a) Quelle est sa température si l’environnement est à 20,0 ºC et qu’il a une émissivité de 0,800? b) En quoi ce résultat est-il déraisonnable? c) quelle prémisse ou hypothèse est responsable?
Construire Votre Propre Problème. Considérons un nouveau modèle d’avion commercial dont les freins sont testés dans le cadre de la procédure d’autorisation de vol initiale. L’avion est amené à la vitesse de décollage puis arrêté avec les freins seuls. Construisez un problème dans lequel vous calculez l’augmentation de température des freins au cours de ce processus., Vous pouvez supposer que la plupart de l’énergie cinétique de l’avion est convertie en énergie thermique dans les freins et les matériaux de construction, et que peu s’échappe. Notez que les freins devraient devenir si chauds dans cette procédure qu’ils s’enflamment et, pour réussir le test, l’avion doit être capable de résister à l’incendie pendant un certain temps sans conflagration générale.
Construire Votre Propre Problème. Considérez une personne à l’extérieur par une nuit froide. Construisez un problème dans lequel vous calculez le taux de transfert de chaleur de la personne par les trois méthodes de transfert de chaleur., Faites en sorte que les circonstances initiales soient telles qu’au repos, la personne aura un transfert de chaleur net, puis décidez combien d’activité physique d’un type choisi est nécessaire pour équilibrer le taux de transfert de chaleur. Parmi les éléments à considérer figurent la taille de la personne, le type de vêtement, le taux métabolique initial, les conditions du ciel, la quantité d’eau évaporée et le volume d’air respiré. Bien sûr, il y a beaucoup d’autres facteurs à considérer et votre instructeur peut souhaiter vous guider dans les hypothèses faites ainsi que le détail de l’analyse et la méthode de présentation de vos résultats.,
effet de serre: réchauffement de la Terre dû à des gaz tels que le dioxyde de carbone et le méthane qui absorbent le rayonnement infrarouge de la surface de la Terre et le redirigent dans toutes les directions, renvoyant ainsi une fraction de celui-ci vers la surface de la Terre

taux net de transfert de chaleur par rayonnement: is \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left ({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\à droite)\ \

rayonnement: énergie transférée par les ondes électromagnétiques directement à la suite d’une différence de température

solutions sélectionnées aux problèmes & exercices

1., -21,7 kW; notez que la réponse négative implique une perte de chaleur dans l’environnement.

3. -266 kW

5. -36,0 W

7. (a) 1.31%; (b) de 20,5%

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

11. (a) 48,5 ºC; (B) Un objet blanc pur reflète plus de l’énergie rayonnante qui le frappe, de sorte qu’une tente blanche empêcherait plus de la lumière du soleil de chauffer l’intérieur de la tente, et la tunique blanche empêcherait la chaleur qui est entrée dans la tente de chauffer le cavalier. Par conséquent, avec une tente blanche, la température serait inférieure à 48.,5ºC, et le taux de chaleur rayonnante transférée au Cavalier serait inférieur à 20,0 W.

13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) lorsqu’un gros météore frappe l’océan, il provoque de grands raz-de-marée, dissipant une grande quantité de son énergie sous forme d’énergie cinétique de l’eau.

15. (a) 3,44 × 105 m3/s; (b) cela équivaut à 12 millions de pieds cubes d’air par seconde. C’est formidable. C’est trop grand pour être dissipé en chauffant l’air de seulement 5ºC. Beaucoup de ces tours de refroidissement utilisent la circulation d’air plus frais sur de l’eau plus chaude pour augmenter le taux d’évaporation., Cela permettrait des quantités d’air beaucoup plus faibles nécessaires pour éliminer une telle quantité de chaleur, car l’évaporation élimine des quantités de chaleur plus importantes que ce qui a été envisagé dans la partie 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) de 2,79 × 104 J; (c) 12.6 J. Ce ne sera pas causer un important refroidissement de l’air, car il est beaucoup moins que l’énergie contenue dans la partie (b), qui est l’énergie nécessaire pour réchauffer l’air de 20.0 ° C à 50,0 ° C.

22. (a) 36ºC; (b) toute augmentation de température supérieure à environ 3ºC serait déraisonnablement importante., Dans ce cas, la température finale de la personne atteindrait 73ºC(163ºF); c) l’hypothèse d’une rétention de chaleur de 95% est déraisonnable.

24. a) 1,46 kW; B) perte de puissance très élevée à travers une fenêtre. Un appareil de chauffage électrique de cette puissance peut garder une pièce entière au chaud; (c) Les températures de surface de la fenêtre ne diffèrent pas autant que prévu. La surface intérieure sera plus chaude et la surface extérieure sera plus froide.