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Obiettivi formativi

Alla fine di questa sezione, si sarà in grado di:

  • Discutere il trasferimento di calore dalle radiazioni.
  • Spiegare la potenza di diversi materiali.

Puoi sentire il trasferimento di calore da un fuoco e dal Sole. Allo stesso modo, a volte puoi dire che il forno è caldo senza toccare la sua porta o guardare dentro—potrebbe semplicemente scaldarti mentre passi. Lo spazio tra la Terra e il Sole è in gran parte vuoto, senza alcuna possibilità di trasferimento di calore per convezione o conduzione., In questi esempi, il calore viene trasferito dalla radiazione. Cioè, il corpo caldo emette onde elettromagnetiche che vengono assorbite dalla nostra pelle: non è richiesto alcun mezzo per la propagazione delle onde elettromagnetiche. Nomi diversi sono usati per le onde elettromagnetiche di diverse lunghezze d’onda: onde radio, microonde, radiazione infrarossa, luce visibile, radiazione ultravioletta, raggi X e raggi gamma.

Figura 1. La maggior parte del trasferimento di calore da questo fuoco agli osservatori avviene attraverso la radiazione infrarossa., La luce visibile, anche se drammatica, trasferisce relativamente poca energia termica. La convezione trasferisce l’energia dagli osservatori mentre l’aria calda sale, mentre la conduzione è negligentemente lenta qui. La pelle è molto sensibile alle radiazioni infrarosse, in modo da poter percepire la presenza di un fuoco senza guardarlo direttamente. (credit: Daniel X. O’Neil)

L’energia della radiazione elettromagnetica dipende dalla lunghezza d’onda (colore) e varia su un ampio intervallo: una lunghezza d’onda più piccola (o frequenza più alta) corrisponde a un’energia più alta., Poiché più calore viene irradiato a temperature più elevate, un cambiamento di temperatura è accompagnato da un cambiamento di colore. Prendiamo, ad esempio, un elemento elettrico su una stufa, che si illumina dal rosso all’arancione, mentre l’acciaio a temperatura più elevata in un altoforno si illumina dal giallo al bianco. La radiazione che senti è per lo più infrarossa, che corrisponde a una temperatura inferiore a quella dell’elemento elettrico e dell’acciaio. L’energia irradiata dipende dalla sua intensità, che è rappresentata in Figura 2 dall’altezza della distribuzione.,

Onde elettromagnetiche spiega di più sullo spettro elettromagnetico e Introduzione alla fisica quantistica discute come la diminuzione della lunghezza d’onda corrisponde ad un aumento di energia.

Figura 2. (a) Un grafico degli spettri di onde elettromagnetiche emesse da un radiatore ideale a tre diverse temperature. L’intensità o il tasso di emissione di radiazioni aumenta drammaticamente con la temperatura e lo spettro si sposta verso le parti visibili e ultraviolette dello spettro., La parte ombreggiata indica la parte visibile dello spettro. È evidente che lo spostamento verso l’ultravioletto con la temperatura fa sì che l’aspetto visibile si sposti dal rosso al bianco al blu all’aumentare della temperatura. (b) Notare le variazioni di colore corrispondenti alle variazioni di temperatura della fiamma. (credito: Tuohirulla)

Figura 3. Questa illustrazione mostra che il pavimento più scuro è più caldo del pavimento più leggero (molto più ghiaccio sulla destra si è sciolto), anche se entrambi sono stati alla luce del sole per lo stesso tempo., Le conduttività termiche dei marciapiedi sono le stesse.

Tutti gli oggetti assorbono ed emettono radiazioni elettromagnetiche. Il tasso di trasferimento di calore per radiazione è in gran parte determinato dal colore dell’oggetto. Il nero è il più efficace e il bianco è il meno efficace. Le persone che vivono in climi caldi generalmente evitano di indossare abiti neri, ad esempio (vedi Esperimento da portare a casa: temperatura al sole). Allo stesso modo, l’asfalto nero in un parcheggio sarà più caldo del marciapiede grigio adiacente in una giornata estiva, perché il nero assorbe meglio del grigio., Anche il contrario è vero: il nero irradia meglio del grigio. Così, in una chiara notte d’estate, l’asfalto sarà più freddo del marciapiede grigio, perché il nero irradia l’energia più rapidamente del grigio. Un radiatore ideale è dello stesso colore di un assorbitore ideale e cattura tutta la radiazione che cade su di esso. Al contrario, il bianco è un povero assorbitore ed è anche un povero radiatore. Un oggetto bianco riflette tutte le radiazioni, come uno specchio. (Un perfetto, lucido superficie bianca è specchio-come in apparenza, e uno specchio schiacciato sembra bianco.,)

Gli oggetti grigi hanno una capacità uniforme di assorbire tutte le parti dello spettro elettromagnetico. Gli oggetti colorati si comportano in modi simili ma più complessi, il che conferisce loro un colore particolare nell’intervallo visibile e può renderli speciali in altri intervalli dello spettro non visibile. Prendiamo, ad esempio, il forte assorbimento della radiazione infrarossa da parte della pelle, che ci consente di essere molto sensibili ad essa.

Figura 4. Un oggetto nero è un buon assorbitore e un buon radiatore, mentre un oggetto bianco (o argento) è un povero assorbitore e un povero radiatore., È come se la radiazione dall’interno si riflettesse nell’oggetto d’argento, mentre la radiazione dall’interno dell’oggetto nero viene “assorbita” quando colpisce la superficie e si trova all’esterno ed è fortemente emessa.

Il tasso di trasferimento di calore da radiazione emessa è determinata dalla legge di Stefan-Boltzmann delle radiazioni:

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

dove σ = 5.67 × 10-8 J/s · m2 · K4 è la costante di Stefan-Boltzmann, A è l’area della superficie dell’oggetto, e T è la sua temperatura assoluta in kelvin., Il simbolo e sta per l’emissività dell’oggetto, che è una misura di quanto bene si irradia. Un radiatore ideale jet-black (o corpo nero) ha e = 1, mentre un riflettore perfetto ha e = 0. Gli oggetti reali rientrano tra questi due valori. Prendiamo, ad esempio, i filamenti di lampadine al tungsteno che hanno una e di circa 0,5 e il nero di carbonio (un materiale utilizzato nel toner della stampante), che ha l’emissività (più nota) di circa 0,99.

La velocità di radiazione è direttamente proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta—una dipendenza dalla temperatura notevolmente forte., Inoltre, il calore irradiato è proporzionale alla superficie dell’oggetto. Se si abbattono i carboni di un incendio, c’è un notevole aumento delle radiazioni a causa di un aumento della superficie radiante.

Figura 5. Un termografo di una parte di un edificio mostra variazioni di temperatura, indicando dove il trasferimento di calore verso l’esterno è più grave. Le finestre sono una regione importante del trasferimento di calore verso l’esterno delle case. (credito: U. S., Army)

Skin è un assorbitore ed emettitore straordinariamente buono di radiazione infrarossa, con un’emissività di 0,97 nello spettro infrarosso. Quindi, siamo tutti quasi (jet) neri nell’infrarosso, nonostante le ovvie variazioni nel colore della pelle. Questa alta emissività infrarossa è il motivo per cui possiamo sentire così facilmente le radiazioni sulla nostra pelle. È anche la base per l’uso di cannocchiali notturni utilizzati dalle forze dell’ordine e dai militari per rilevare gli esseri umani. Anche piccole variazioni di temperatura possono essere rilevate a causa della dipendenza T4., Le immagini, chiamate termografie, possono essere utilizzate medicalmente per rilevare regioni di temperatura anormalmente elevata nel corpo, forse indicative della malattia. Tecniche simili possono essere utilizzate per rilevare perdite di calore nelle case Figura 5, ottimizzare le prestazioni degli altiforni, migliorare i livelli di comfort negli ambienti di lavoro e persino mappare da remoto il profilo della temperatura terrestre.

Tutti gli oggetti emettono e assorbono radiazioni. Il tasso netto di trasferimento di calore per radiazione (assorbimento meno emissione) è correlato sia alla temperatura dell’oggetto che alla temperatura dell’ambiente circostante., Supponendo che un oggetto con una temperatura T1 è circondato da un ambiente con temperatura uniforme T2, il tasso netto di trasferimento di calore per irraggiamento è

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

Take-Home Esperimento: Temperatura al Sole

Posizionare un termometro al sole e proteggerla dalla luce diretta del sole utilizzando un foglio di alluminio. Qual è la lettura? Ora rimuovi lo scudo e nota cosa legge il termometro., Prendi un fazzoletto imbevuto di solvente per unghie, avvolgilo attorno al termometro e mettilo al sole. Cosa legge il termometro?

La Terra riceve quasi tutta la sua energia dalla radiazione del Sole e ne riflette una parte nello spazio esterno. Poiché il Sole è più caldo della Terra, il flusso netto di energia è dal Sole alla Terra. Tuttavia, la velocità di trasferimento di energia è inferiore a quella che l’equazione per il trasferimento di calore radiativo avrebbe previsto perché il Sole non riempie il cielo. L’emissività media (e) della Terra è di circa 0.,65, ma il calcolo di questo valore è complicato dal fatto che la copertura nuvolosa altamente riflettente varia notevolmente di giorno in giorno. C’è un feedback negativo (uno in cui un cambiamento produce un effetto che si oppone a quel cambiamento) tra le nuvole e il trasferimento di calore; temperature maggiori evaporano più acqua per formare più nuvole, che riflettono più radiazioni nello spazio, riducendo la temperatura. L’effetto serra spesso menzionato è direttamente correlato alla variazione dell’emissività della Terra con il tipo di radiazione (vedi Figura 6)., L’effetto serra è un fenomeno naturale responsabile della fornitura di temperature adatte alla vita sulla Terra. La temperatura relativamente costante della Terra è il risultato del bilancio energetico tra la radiazione solare in entrata e l’energia irradiata dalla Terra. La maggior parte della radiazione infrarossa emessa dalla Terra viene assorbita dall’anidride carbonica (CO2) e dall’acqua (H2O) nell’atmosfera e quindi irradiata nuovamente verso la Terra o nello spazio esterno., La ri-radiazione verso la Terra mantiene la sua temperatura superficiale di circa 40ºC superiore a quella che sarebbe se non ci fosse atmosfera, simile al modo in cui il vetro aumenta le temperature in una serra.

Figura 6. L’effetto serra è un nome dato alla cattura di energia nell’atmosfera terrestre da un processo simile a quello utilizzato nelle serre. L’atmosfera, come il vetro della finestra, è trasparente alle radiazioni visibili in entrata e alla maggior parte degli infrarossi del Sole. Queste lunghezze d’onda vengono assorbite dalla Terra e riemesse come infrarossi., Poiché la temperatura della Terra è molto più bassa di quella del Sole, l’infrarosso irradiato dalla Terra ha una lunghezza d’onda molto più lunga. L’atmosfera, come il vetro, intrappola questi raggi infrarossi più lunghi, mantenendo la Terra più calda di quanto non sarebbe altrimenti. La quantità di intrappolamento dipende dalle concentrazioni di gas in tracce come l’anidride carbonica e si ritiene che un cambiamento nella concentrazione di questi gas influenzi la temperatura superficiale della Terra.,

L’effetto serra è anche centrale nella discussione sul riscaldamento globale dovuto all’emissione di anidride carbonica e metano (e altri cosiddetti gas serra) nell’atmosfera terrestre dalla produzione industriale e dall’agricoltura. I cambiamenti del clima globale potrebbero portare a tempeste più intense, cambiamenti delle precipitazioni (che interessano l’agricoltura), riduzione della biodiversità delle foreste pluviali e aumento del livello del mare.

Figura 7., Questo fornello solare semplice ma efficace utilizza l’effetto serra e il materiale riflettente per intrappolare e trattenere l’energia solare. Realizzato con materiali economici e durevoli, consente di risparmiare denaro e manodopera ed è di particolare valore economico nei paesi in via di sviluppo poveri di energia. (credit: E. B. Kauai)

Il riscaldamento e il raffreddamento sono spesso contributi significativi all’uso di energia nelle singole case., Gli attuali sforzi di ricerca nello sviluppo di case ecocompatibili spesso si concentrano sulla riduzione del riscaldamento e del raffreddamento convenzionali attraverso materiali da costruzione migliori, posizionando strategicamente le finestre per ottimizzare il guadagno di radiazioni dal sole e aprendo gli spazi per consentire la convezione. È possibile costruire una casa a energia zero che consente una vita confortevole nella maggior parte degli Stati Uniti con estati calde e umide e inverni freddi.

Al contrario, lo spazio buio è molto freddo, circa 3K(−454ºF), in modo che la Terra irradia energia nel cielo scuro., A causa del fatto che le nuvole hanno un’emissività inferiore rispetto agli oceani o alle masse terrestri, riflettono parte della radiazione sulla superficie, riducendo notevolmente il trasferimento di calore nello spazio buio, così come riducono notevolmente il trasferimento di calore nell’atmosfera durante il giorno. Il tasso di trasferimento di calore dal suolo e dalle erbe può essere così rapido che il gelo può verificarsi nelle limpide serate estive, anche a latitudini calde.

Verifica la tua comprensione

Qual è il cambiamento nella velocità del calore irradiato da un corpo alla temperatura T1 = 20ºC rispetto a quando il corpo è alla temperatura T2 = 40ºC?,

Soluzione

Il calore irradiato è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta. Poiché T1 = 293 K e T2 = 313 K, il tasso di trasferimento di calore aumenta di circa il 30% del tasso originale.

Career Connection: Energy Conservation Consultation

Si ritiene generalmente che il costo dell’energia rimanga molto elevato per il prossimo futuro. Pertanto, il controllo passivo della perdita di calore negli alloggi commerciali e domestici diventerà sempre più importante., I consulenti energetici misurano e analizzano il flusso di energia dentro e fuori le case e assicurano che all’interno della casa venga mantenuto un sano scambio d’aria. Le prospettive di lavoro per un consulente energetico sono forti.

Strategie di problem solving per i metodi di trasferimento di calore

  1. Esaminare la situazione per determinare quale tipo di trasferimento di calore è coinvolto.
  2. Identificare il tipo(i) di trasferimento di calore-conduzione, convezione o radiazione.
  3. Identifica esattamente ciò che deve essere determinato nel problema (identifica le incognite). Una lista scritta è molto utile.,
  4. Fai un elenco di ciò che è dato o può essere dedotto dal problema come affermato (identifica i knowns).
  5. Risolvere l’equazione appropriata per la quantità da determinare (l’ignoto).
  6. Per la conduzione, l’equazione \ displaystyle \ frac {Q} {t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)} {d}\\ è appropriata. La tabella 1 in Conduzione elenca le conduttività termiche. Per convezione, determinare la quantità di materia spostata e utilizzare l’equazione Q = mcΔT, per calcolare il trasferimento di calore coinvolto nella variazione di temperatura del fluido., Se un cambiamento di fase accompagna la convezione, l’equazione Q = mLf o Q = mLv è appropriata per trovare il trasferimento di calore coinvolto nel cambiamento di fase. La tabella 1 in Phase Change and Latent Heat elenca le informazioni rilevanti per il cambiamento di fase. Per la radiazione, l’equazione \ displaystyle \ frac {Q_ {\text {net}}} {t}=\sigma{e} A\left(T^4_2-T^4_1\right)\\ fornisce la velocità di trasferimento del calore netto.
  7. Inserire i knowns insieme alle loro unità nell’equazione appropriata e ottenere soluzioni numeriche complete di unità.
  8. Controlla la risposta per vedere se è ragionevole. Ha senso?,

Riepilogo della sezione

Domande concettuali

  1. Quando si guarda un circo diurno in una grande tenda di colore scuro, si avverte un significativo trasferimento di calore dalla tenda. Spiega perché questo si verifica.
  2. I satelliti progettati per osservare la radiazione dallo spazio buio freddo (3 K) hanno sensori che sono ombreggiati dal Sole, dalla Terra e dalla Luna e che vengono raffreddati a temperature molto basse. Perché i sensori devono essere a bassa temperatura?
  3. Perché le notti nuvolose sono generalmente più calde di quelle limpide?,
  4. Perché i termometri utilizzati nelle stazioni meteorologiche sono protetti dal sole? Cosa misura un termometro se è protetto dal sole e anche se non lo è?
  5. In media, la Terra sarebbe più calda o più fredda senza l’atmosfera? Spiega la tua risposta.

Problemi& Esercizi

  1. A quale velocità netta il calore irradia da un tetto nero di 275 m2 in una notte in cui la temperatura del tetto è di 30,0 ºC e la temperatura circostante è di 15,0 ºC? L’emissività del tetto è 0.900.,
  2. (a) Le braci rosso ciliegia in un camino sono a 850ºC e hanno una superficie esposta di 0,200 m2 e un’emissività di 0,980. La stanza circostante ha una temperatura di 18,0 ºC. Se il 50% dell’energia radiante entra nella stanza, qual è il tasso netto di trasferimento di calore radiante in kilowatt? (b) La vostra risposta sostiene la tesi che la maggior parte del trasferimento di calore in una stanza da un camino proviene da radiazioni infrarosse?
  3. La radiazione rende impossibile stare vicino a un flusso di lava calda. Calcola il tasso di trasferimento di calore per radiazione da 1,00 m2 di lava fresca 1200ºC in 30.,0ºC dintorni, supponendo emissività di lava è 1.00.
  4. (a) Calcolare la velocità di trasferimento di calore per radiazione da un radiatore auto a 110ºC in un ambiente 50.0 ºC, se il radiatore ha un’emissività di 0.750 e una superficie di 1.20-m2. (b) È questa una frazione significativa del trasferimento di calore da parte di un motore di un’automobile? Per rispondere a questo, assumere una potenza di 200 CV (1,5 kW) e l’efficienza dei motori automobilistici del 25%.
  5. Trova il tasso netto di trasferimento di calore per radiazione da uno sciatore in piedi all’ombra, dato il seguente., È completamente vestita di bianco (dalla testa ai piedi, incluso un passamontagna), i vestiti hanno un’emissività di 0.200 e una temperatura superficiale di 10.0 ºC, i dintorni sono a−15.0 ºC e la sua superficie è di 1.60 m2.
  6. Supponiamo di entrare in una sauna con una temperatura ambiente di 50,0 ºC. (a) Calcolare il tasso di trasferimento di calore a voi dalla radiazione data la temperatura della pelle è 37.0 ºC, l’emissività della pelle è 0.98, e la superficie del vostro corpo è di 1.50 m2., (b) Se tutte le altre forme di trasferimento di calore sono bilanciate (il trasferimento di calore netto è zero), a quale velocità aumenterà la temperatura corporea se la massa è di 75,0 kg?
  7. La termografia è una tecnica per misurare il calore radiante e rilevare variazioni nelle temperature superficiali che possono essere significative dal punto di vista medico, ambientale o militare.(a) Qual è la percentuale di aumento del tasso di trasferimento di calore per radiazione da una data area a una temperatura di 34,0 ºC rispetto a quella di 33,0 ºC, come sulla pelle di una persona?, (b) Qual è la percentuale di aumento del tasso di trasferimento di calore per radiazione da una data area a una temperatura di 34,0 ºC rispetto a quella di 20,0 ºC, come per le cappe delle automobili calde e fredde?

    Figura 8. Resa dell’artista di un termografo della parte superiore del corpo di un paziente, mostrando la distribuzione del calore rappresentata da diversi colori.

  8. Il Sole irradia come un corpo nero perfetto con un’emissività di esattamente 1. (a) Calcolare la temperatura superficiale del Sole, dato che si tratta di una sfera con un 7.,raggio 00 × 108-m che irradia 3,80 × 1026 W nello spazio 3-K. (b) Quanta potenza irradia il Sole per metro quadrato della sua superficie? (c) Quanta potenza in watt per metro quadrato è quel valore alla distanza della Terra, 1,50 × 1011 m di distanza? (Questo numero è chiamato costante solare.)
  9. Un grande corpo di lava proveniente da un vulcano ha smesso di scorrere e si sta lentamente raffreddando. L’interno della lava è a 1200ºC, la sua superficie è a 450ºC e i dintorni sono a 27.0 ºC. (a) Calcolare la velocità con cui l’energia viene trasferita dalla radiazione da 1.,00 m2 di lava superficiale nei dintorni, supponendo che l’emissività sia 1.00. (b) Supponiamo che la conduzione del calore sulla superficie avvenga alla stessa velocità. Qual è lo spessore della lava tra la superficie di 450ºC e l’interno di 1200ºC, supponendo che la conduttività della lava sia la stessa di quella del mattone?
  10. Calcola la temperatura che l’intero cielo dovrebbe essere per trasferire energia per radiazione a 1000 W / m2—circa la velocità con cui il Sole irradia quando è direttamente sopra la testa in una giornata limpida., Questo valore è la temperatura effettiva del cielo, una sorta di media che tiene conto del fatto che il Sole occupa solo una piccola parte del cielo ma è molto più caldo del resto. Supponiamo che il corpo che riceve l’energia abbia una temperatura di 27,0 ºC.
  11. (a) Un cavaliere a torso nudo sotto una tenda da circo sente il calore irradiare dalla parte illuminata dal sole della tenda. Calcola la temperatura della tela della tenda in base alle seguenti informazioni: La temperatura della pelle del pilota a torso nudo è di 34,0 ºC e ha un’emissività di 0,970. L’area esposta della pelle è di 0.400 m2., Riceve radiazioni al ritmo di 20.0 W-la metà di quello che si calcola se l’intera regione dietro di lui fosse calda. Il resto dei dintorni sono a 34.0 ºC. (b) Discutete come sarebbe cambiata questa situazione se il lato illuminato dal sole della tenda fosse quasi bianco puro e se il cavaliere fosse coperto da una tunica bianca.
  12. Concetti integrati. Un giorno 30.0 ºC l’umidità relativa è 75.0% e quella sera la temperatura scende a 20.0 ºC, ben al di sotto del punto di rugiada. (a) Quanti grammi d’acqua si condensano da ogni metro cubo d’aria? (b) Quanto trasferimento di calore avviene mediante questa condensazione?, (c) Quale aumento di temperatura potrebbe causare questo nell’aria secca?
  13. Concetti integrati. Grandi meteore a volte colpiscono la Terra, convertendo la maggior parte della loro energia cinetica in energia termica. (a) Qual è l’energia cinetica di una meteora di 109 kg che si muove a 25,0 km/s? (b) Se questa meteora atterra in un oceano profondo e l ‘ 80% della sua energia cinetica va in acqua di riscaldamento, quanti chilogrammi di acqua potrebbe aumentare di 5,0 ºC? (c) Discutere come l’energia della meteora è più probabile che si depositi nell’oceano e i probabili effetti di tale energia.
  14. Concetti integrati., I rifiuti congelati dei servizi igienici degli aerei sono stati talvolta accidentalmente espulsi ad alta quota. Normalmente si rompe e si disperde su una vasta area, ma a volte tiene insieme e colpisce il terreno. Calcola la massa di ghiaccio 0ºC che può essere sciolta dalla conversione dell’energia potenziale cinetica e gravitazionale quando un pezzo di 20,0 kg di rifiuti congelati viene rilasciato a 12,0 km di altitudine mentre si muove a 250 m / s e colpisce il terreno a 100 m / s (poiché meno di 20,0 kg si scioglie, si ottiene un disordine significativo).
  15. Concetti integrati., (a) Un grande impianto di energia elettrica produce 1600 MW di “calore di scarto”, che viene dissipato nell’ambiente nelle torri di raffreddamento riscaldando l’aria che scorre attraverso le torri di 5,00 ºC. Qual è la portata d’aria necessaria in m3 / s? (b) Il vostro risultato è coerente con le grandi torri di raffreddamento utilizzate da molte grandi centrali elettriche?
  16. Concetti integrati. (a) Supponiamo di iniziare un allenamento su uno Stairmaster, producendo energia alla stessa velocità di salire 116 scale al minuto. Supponendo che la tua massa sia di 76,0 kg e la tua efficienza sia di 20.,0%, quanto tempo ci vorrà per la temperatura corporea a salire 1.00 ºC se tutte le altre forme di trasferimento di calore dentro e fuori del vostro corpo sono bilanciati? (b) Questo è coerente con la vostra esperienza nel riscaldarvi mentre vi allenate?
  17. Concetti integrati. Una persona di 76,0 kg che soffre di ipotermia arriva in casa e rabbrividisce vigorosamente. Quanto tempo ci vuole il trasferimento di calore per aumentare la temperatura corporea della persona di 2,00 ºC se tutte le altre forme di trasferimento di calore sono bilanciate?
  18. Concetti integrati. In alcune grandi regioni geografiche, la roccia sottostante è calda., I pozzi possono essere perforati e l’acqua circolata attraverso la roccia per il trasferimento di calore per la generazione di elettricità. (a) Calcolare il trasferimento di calore che può essere estratto raffreddando 1,00 km3 di granito di 100ºC. (b) Quanto tempo ci vorrà per il trasferimento di calore al tasso di 300 MW, supponendo che nessun trasferimento di calore indietro nel 1.00km3 di roccia dai suoi dintorni?
  19. Concetti integrati. Trasferimenti di calore dai polmoni e dai passaggi respiratori facendo evaporare l’acqua. (a) Calcolare il numero massimo di grammi di acqua che può essere evaporato quando si inala 1.,50 L di aria a 37ºC con un’umidità relativa originale del 40,0%. (Supponiamo che la temperatura corporea sia anche 37ºC.) (b) Quanti joule di energia sono necessari per evaporare questa quantità? (c) Qual è il tasso di trasferimento di calore in watt da questo metodo, se si respira ad una normale velocità di riposo di 10,0 respiri al minuto?
  20. Concetti integrati. (a) Qual è l’aumento di temperatura dell’acqua che cade 55,0 m sopra le cascate del Niagara? (b) Quale frazione deve evaporare per mantenere costante la temperatura?
  21. Concetti integrati. L’aria calda sale perché si è espansa., Quindi sposta un volume maggiore di aria fredda, che aumenta la forza di galleggiamento su di esso. (a) Calcolare il rapporto tra la forza di galleggiamento e il peso di 50,0 ºC aria circondata da 20,0 ºC aria. (b) Quale energia è necessaria per far passare 1,0 m3 di aria da 20,0 ºC a 50,0 ºC? (c) Quale energia potenziale gravitazionale si ottiene da questo volume d’aria se sale di 1,00 m? Ciò causerà un significativo raffreddamento dell’aria?
  22. Risultati irragionevoli. (a) Qual è l’aumento di temperatura di una persona di 80,0 kg che consuma 2500 kcal di cibo in un giorno con il 95,0% dell’energia trasferita come calore al corpo?, (b) Cosa c’è di irragionevole in questo risultato? (c) Quale premessa o ipotesi è responsabile?
  23. Risultati irragionevoli. Un inventore artico leggermente squilibrato circondato dal ghiaccio pensa che sarebbe molto meno meccanicamente complesso raffreddare un motore di un’auto sciogliendo il ghiaccio su di esso che avere un sistema raffreddato ad acqua con radiatore, pompa dell’acqua, antigelo e così via. (a) Se l ‘ 80,0% dell’energia in 1,00 gal di benzina viene convertita in “calore di scarto” in un motore di un’automobile, quanti chilogrammi di ghiaccio a 0ºC potrebbero sciogliersi? (b) Si tratta di una quantità ragionevole di ghiaccio da portare in giro per raffreddare il motore per 1.,00 gal di consumo di benzina? (c) Quali premesse o ipotesi sono irragionevoli?
  24. Risultati irragionevoli. (a) Calcolare la velocità di trasferimento di calore per conduzione attraverso una finestra con un’area di 1,00 m2 spessa 0,750 cm, se la sua superficie interna è a 22,0 ºC e la sua superficie esterna è a 35,0 ºC. (b) Cosa c’è di irragionevole in questo risultato? (c) Quale premessa o ipotesi è responsabile?
  25. Risultati irragionevoli. Un meteorite di 1,20 cm di diametro è così caldo subito dopo aver penetrato nell’atmosfera che irradia 20,0 kW di potenza., (a) Qual è la sua temperatura, se l’ambiente circostante è a 20,0 ºC e ha un’emissività di 0,800? (b) Cosa c’è di irragionevole in questo risultato? (c) Quale premessa o ipotesi è responsabile?
  26. Costruisci il tuo problema. Si consideri un nuovo modello di aereo commerciale con i suoi freni testati come parte della procedura di autorizzazione di volo iniziale. L’aereo viene portato a velocità di decollo e poi fermato con i freni da solo. Costruire un problema in cui si calcola l’aumento di temperatura dei freni durante questo processo., Si può presumere che la maggior parte dell’energia cinetica dell’aereo venga convertita in energia termica nei freni e nei materiali circostanti, e quel poco sfugge. Si noti che i freni dovrebbero diventare così caldi in questa procedura che si accendono e, per superare il test, l’aereo deve essere in grado di resistere al fuoco per qualche tempo senza una conflagrazione generale.
  27. Costruisci il tuo problema. Considera una persona all’aperto in una notte fredda. Costruisci un problema in cui calcoli il tasso di trasferimento di calore dalla persona con tutti e tre i metodi di trasferimento di calore., Rendere le circostanze iniziali tali che a riposo la persona avrà un trasferimento di calore netto e quindi decidere quanta attività fisica di un tipo scelto è necessaria per bilanciare il tasso di trasferimento di calore. Tra le cose da considerare sono le dimensioni della persona, tipo di abbigliamento, tasso metabolico iniziale, condizioni del cielo, quantità di acqua evaporata e volume di aria respirata. Naturalmente, ci sono molti altri fattori da considerare e il vostro istruttore potrebbe desiderare di guidarvi nelle ipotesi fatte così come il dettaglio di analisi e metodo di presentare i risultati.,

    effetto serra: il riscaldamento della Terra che è a causa di gas come l’anidride carbonica e il metano, che assorbono la radiazione infrarossa sulla superficie della Terra e reradiate in tutte le direzioni, quindi l’invio di una frazione di esso di nuovo verso la superficie della Terra

    il tasso netto di trasferimento di calore per irraggiamento: è \displaystyle\frac{{D}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\a destra)\\

    radiazione: energia trasferita da onde elettromagnetiche come diretta conseguenza di una differenza di temperatura

    Selezionato le Soluzioni ai Problemi & Esercizi

    1., -21.7 kW; si noti che la risposta negativa implica la perdita di calore per l’ambiente circostante.

    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 ºC; (b) Un oggetto bianco puro riflette più dell’energia radiante che lo colpisce, quindi una tenda bianca impedirebbe a più luce solare di riscaldare l’interno della tenda, e la tunica bianca impedirebbe a quel calore che entrava nella tenda di riscaldare il cavaliere. Pertanto, con una tenda bianca, la temperatura sarebbe inferiore a 48.,5ºC, e il tasso di calore radiante trasferito al pilota sarebbe inferiore a 20.0 W.

    13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) Quando una grande meteora colpisce l’oceano, provoca grandi onde di marea, dissipando grande quantità della sua energia sotto forma di energia cinetica dell’acqua.

    15. (a) 3,44 × 105 m3/s; (b) Questo equivale a 12 milioni di piedi cubi d’aria al secondo. E ‘ tremendo. Questo è troppo grande per essere dissipato riscaldando l’aria di soli 5ºC. Molte di queste torri di raffreddamento utilizzano la circolazione di aria più fredda su acqua più calda per aumentare il tasso di evaporazione., Ciò consentirebbe quantità di aria molto più piccole necessarie per rimuovere una quantità così grande di calore perché l’evaporazione rimuove quantità di calore maggiori di quelle considerate nella parte (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. Ciò non causerà un raffreddamento significativo dell’aria perché è molto inferiore all’energia trovata nella parte (b), che è l’energia necessaria per riscaldare l’aria da 20,0 ºC a 50,0 ºC.

    22. (a) 36ºC; (b) Qualsiasi aumento di temperatura superiore a circa 3ºC sarebbe irragionevolmente grande., In questo caso la temperatura finale della persona salirebbe a 73ºC (163ºF); (c) L’assunzione di ritenzione di calore del 95% è irragionevole.

    24. (a) 1.46 kW; (b) Perdita di potenza molto elevata attraverso una finestra. Un riscaldatore elettrico di questa potenza può mantenere un’intera stanza calda; (c) Le temperature superficiali della finestra non differiscono da una quantità così grande come ipotizzato. La superficie interna sarà più calda e la superficie esterna sarà più fresca.

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