Straling / fysica

leerdoelen

aan het einde van deze sectie kunt u:

bespreken warmteoverdracht door straling.
verklaar de kracht van verschillende materialen.

u kunt de warmteoverdracht van een vuur en van de zon voelen. Op dezelfde manier kun je soms vertellen dat de oven heet is zonder de deur aan te raken of naar binnen te kijken—het kan je gewoon verwarmen als je voorbij loopt. De ruimte tussen de aarde en de zon is grotendeels leeg, zonder enige mogelijkheid van warmteoverdracht door convectie of geleiding., In deze voorbeelden wordt warmte overgedragen door straling. Dat wil zeggen, het hete lichaam zendt elektromagnetische golven uit die door onze huid worden geabsorbeerd: er is geen medium nodig voor elektromagnetische golven om zich voort te planten. Verschillende namen worden gebruikt voor elektromagnetische golven van verschillende golflengten: radiogolven, microgolven, infrarode straling, zichtbaar licht, ultraviolette straling, X-stralen en gammastralen.

figuur 1. Het grootste deel van de warmteoverdracht van dit vuur naar de waarnemers is door infraroodstraling., Het zichtbare licht, hoewel dramatisch, draagt relatief weinig thermische energie over. Convectie brengt energie weg van de waarnemers als hete lucht stijgt, terwijl de geleiding is verwaarloosbaar traag hier. De huid is zeer gevoelig voor infraroodstraling, zodat u de aanwezigheid van een vuur kunt voelen zonder er direct naar te kijken. (credit: Daniel X. O ‘ Neil)

de energie van elektromagnetische straling hangt af van de golflengte (kleur) en varieert over een breed bereik: een kleinere golflengte (of hogere frequentie) komt overeen met een hogere energie., Omdat bij hogere temperaturen meer warmte wordt uitgestraald, gaat een temperatuurverandering gepaard met een kleurverandering. Neem bijvoorbeeld een elektrisch element op een kachel, die gloeit van rood naar oranje, terwijl de hogere temperatuur staal in een hoogoven gloeit van geel naar Wit. De straling die je voelt is meestal infrarood, wat overeenkomt met een lagere temperatuur dan die van het elektrische element en het staal. De uitgestraalde energie hangt af van de intensiteit, die in Figuur 2 wordt weergegeven door de hoogte van de verdeling.,

elektromagnetische golven legt meer uit over het elektromagnetisch spectrum en Introduction to Quantum Physics bespreekt hoe de afname in golflengte overeenkomt met een toename in energie.

Figuur 2. (A) een grafiek van de spectra van elektromagnetische golven die door een ideale radiator bij drie verschillende temperaturen worden uitgezonden. De intensiteit of snelheid van de stralingsemissie neemt dramatisch toe met de temperatuur, en het spectrum verschuift naar de zichtbare en ultraviolette delen van het spectrum., Het gearceerde gedeelte geeft het zichtbare deel van het spectrum aan. Het is duidelijk dat de verschuiving naar het ultraviolet met temperatuur maakt de zichtbare verschijning verschuiving van rood naar wit naar blauw als de temperatuur stijgt. (B) let op de kleurvariaties die overeenkomen met variaties in vlamtemperatuur. (credit: Tuohirulla)

Figuur 3. Deze afbeelding laat zien dat de donkere bestrating heter is dan de lichtere bestrating (veel meer van het ijs aan de rechterkant is gesmolten), hoewel beide in het zonlicht zijn geweest voor dezelfde tijd., De thermische geleidbaarheid van de trottoirs zijn hetzelfde.

alle objecten absorberen en zenden elektromagnetische straling uit. De snelheid van warmteoverdracht door straling wordt grotendeels bepaald door de kleur van het object. Zwart is het meest effectief, en wit is het minst effectief. Mensen die in een warm klimaat leven, vermijden over het algemeen het dragen van zwarte kleding, bijvoorbeeld (zie Take-Home Experiment: temperatuur in de zon). Op dezelfde manier zal zwart asfalt op een parkeerplaats heter zijn dan aangrenzende grijze stoep op een zomerdag, omdat zwart beter absorbeert dan grijs., Het omgekeerde is ook waar-zwart straalt beter dan grijs. Dus op een heldere zomernacht zal het asfalt kouder zijn dan de grijze stoep, omdat zwart de energie sneller uitstraalt dan grijs. Een ideale radiator heeft dezelfde kleur als een ideale absorber, en vangt alle straling die erop valt. In tegenstelling, wit is een slechte absorber en is ook een slechte radiator. Een wit object reflecteert alle straling, zoals een spiegel. (Een perfect, gepolijst wit oppervlak is spiegel-achtig in uiterlijk, en een gemalen spiegel ziet er Wit.,)

grijze objecten hebben een uniform vermogen om alle delen van het elektromagnetische spectrum te absorberen. Gekleurde objecten gedragen zich op vergelijkbare maar meer complexe manieren, waardoor ze een bepaalde kleur in het zichtbare bereik krijgen en ze speciaal kunnen maken in andere bereiken van het niet-zichtbare spectrum. Neem bijvoorbeeld de sterke absorptie van infraroodstraling door de huid, waardoor we er erg gevoelig voor kunnen zijn.

Figuur 4. Een zwart object is een goede absorber en een goede radiator, terwijl een wit (of zilver) object een slechte absorber en een slechte radiator is., Het is alsof straling van binnenuit weerkaatst wordt in het zilveren object, terwijl straling van binnenuit van het zwarte object wordt “geabsorbeerd” wanneer het het oppervlak raakt en zich aan de buitenkant bevindt en sterk wordt uitgezonden.

De snelheid van warmteoverdracht door uitgezonden straling wordt bepaald door de Stefan-Boltzmann stralingswet:

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

waarbij σ = 5,67 × 10-8 J/s · m2 · K4 de Stefan-Boltzmann-constante is, A is de oppervlakte van de object, en T is de absolute temperatuur in kelvin., Het symbool e staat voor de emissiviteit van het object, wat een maat is voor hoe goed het uitstraalt. Een ideale jet-black (of black body) radiator heeft e = 1, terwijl een perfecte reflector e = 0 heeft. Echte objecten vallen tussen deze twee waarden. Neem bijvoorbeeld wolfraam gloeilamp filamenten die een e van ongeveer 0,5, en roetzwart (een materiaal dat wordt gebruikt in printer toner), die de (meest bekende) emissiviteit van ongeveer 0,99.

De stralingsfrequentie is recht evenredig met het vierde vermogen van de absolute temperatuur—een opmerkelijk sterke temperatuurafhankelijkheid., Bovendien is de uitgestraalde warmte evenredig met het oppervlak van het object. Als je de kolen van een vuur uit elkaar slaat, is er een merkbare toename van de straling als gevolg van een toename van het uitstralende oppervlak.

Figuur 5. Een Thermografie van een deel van een gebouw toont temperatuurschommelingen, wat aangeeft waar de warmteoverdracht naar buiten het meest ernstig is. Ramen zijn een belangrijk gebied van warmteoverdracht naar de buitenkant van woningen. (credit: U. S., Army)

Skin is een opmerkelijk goede absorber en emitter van infrarode straling, met een emissiviteit van 0,97 in het infrarode spectrum. Zo zijn we allemaal bijna (straal) zwart in het infrarood, ondanks de duidelijke variaties in huidskleur. Deze hoge infraroodstraling is de reden waarom we straling op onze huid zo gemakkelijk kunnen voelen. Het is ook de basis voor het gebruik van nachtscopen gebruikt door de wetshandhaving en het leger om mensen op te sporen. Zelfs kleine temperatuurvariaties kunnen worden gedetecteerd vanwege de T4-afhankelijkheid., Beelden, genaamd thermografen, kunnen Medisch worden gebruikt om regio ‘ s van abnormaal hoge temperatuur in het lichaam op te sporen, misschien indicatief voor ziekte. Soortgelijke technieken kunnen worden gebruikt om warmtelekken in woningen te detecteren Figuur 5, de prestaties van hoogovens te optimaliseren, het comfortniveau in werkomgevingen te verbeteren en zelfs op afstand het temperatuurprofiel van de aarde in kaart te brengen.

alle objecten stralen uit en absorberen straling. De netto warmteoverdracht door straling (absorptie minus emissie) is gerelateerd aan zowel de temperatuur van het object als de temperatuur van zijn omgeving., Aangenomen dat een object met een temperatuur T1 omgeven is door een omgeving met een uniforme temperatuur T2, is de netto warmteoverdracht door straling

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

Take-Home Experiment: temperatuur in de zon

plaats een thermometer in de zon en bescherm deze met behulp van aluminiumfolie tegen direct zonlicht. Wat is de lezing? Verwijder nu het schild, en noteer wat de thermometer leest., Neem een zakdoek gedrenkt in nagellak remover, wikkel het rond de thermometer en plaats het in de zon. Wat leest de thermometer?

De aarde ontvangt bijna al haar energie uit straling van de zon en reflecteert een deel ervan terug naar de ruimte. Omdat de zon heter is dan de aarde, is de netto energieflux van de Zon naar de aarde. Echter, de snelheid van energieoverdracht is minder dan de vergelijking voor de stralingswarmte overdracht zou voorspellen omdat de zon niet de hemel vult. De gemiddelde emissiviteit (e) van de aarde is ongeveer 0.,65, maar de berekening van deze waarde wordt bemoeilijkt door het feit dat de zeer reflecterende bewolking sterk varieert van dag tot dag. Er is een negatieve feedback (een waarin een verandering een effect produceert dat tegen die verandering ingaat) tussen wolken en warmteoverdracht; hogere temperaturen verdampen meer water om meer wolken te vormen, die meer straling terug de ruimte in reflecteren, waardoor de temperatuur daalt. Het vaak genoemde broeikaseffect houdt direct verband met de variatie van de emissiviteit van de aarde met het type straling (zie Figuur 6)., Het broeikaseffect is een natuurverschijnsel dat zorgt voor temperaturen die geschikt zijn voor het leven op aarde. De relatief constante temperatuur van de aarde is het resultaat van de energiebalans tussen de inkomende zonnestraling en de energie die van de Aarde wordt uitgestraald. Het grootste deel van de infrarode straling die van de Aarde wordt uitgezonden wordt geabsorbeerd door kooldioxide (CO2) en water (H2O) in de atmosfeer en dan opnieuw uitgestraald terug naar de aarde of in de ruimte., Re-straling terug naar de aarde houdt zijn oppervlaktetemperatuur ongeveer 40ºC hoger dan het zou zijn als er geen atmosfeer, vergelijkbaar met de manier waarop glas verhoogt temperaturen in een kas.

Figuur 6. Het broeikaseffect is een naam die wordt gegeven aan het vangen van energie in de atmosfeer van de aarde door een proces dat vergelijkbaar is met dat in kassen. De atmosfeer is, net als vensterglas, transparant voor binnenkomende zichtbare straling en het grootste deel van het infrarood van de zon. Deze golflengten worden geabsorbeerd door de aarde en weer uitgezonden als infrarood., Omdat de temperatuur van de aarde veel lager is dan die van de zon, heeft het infrarood dat door de Aarde wordt uitgestraald een veel langere golflengte. De atmosfeer, net als glas, vangt deze langere infraroodstralen op, waardoor de aarde warmer blijft dan anders. De hoeveelheid vallen hangt af van concentraties van sporengassen zoals kooldioxide, en een verandering in de concentratie van deze gassen wordt verondersteld om de oppervlaktetemperatuur van de aarde te beïnvloeden.,

het broeikaseffect staat ook centraal in de discussie over de opwarming van de aarde als gevolg van de uitstoot van kooldioxide en methaan (en andere zogenaamde broeikasgassen) in de atmosfeer van de aarde door industriële productie en landbouw. Veranderingen in het mondiale klimaat kunnen leiden tot intensievere stormen, veranderingen in neerslag (die gevolgen hebben voor de landbouw), vermindering van de biodiversiteit van regenwouden en stijging van de zeespiegel.

Figuur 7., Deze eenvoudige maar effectieve zonne-kookplaat maakt gebruik van het broeikaseffect en reflecterend materiaal om zonne-energie op te vangen en vast te houden. Gemaakt van goedkope, duurzame materialen, bespaart het geld en arbeid, en is van bijzondere economische waarde in energiearme ontwikkelingslanden. (credit: E. B. Kauai)

verwarming en koeling dragen vaak in belangrijke mate bij aan het energieverbruik in individuele woningen., Het huidige onderzoek naar de ontwikkeling van milieuvriendelijke woningen richt zich vaak op het verminderen van conventionele verwarming en koeling door betere bouwmaterialen, het strategisch positioneren van ramen om de stralingswinst van de zon te optimaliseren, en het openen van ruimtes om convectie mogelijk te maken. Het is mogelijk om een zero-energy huis dat zorgt voor een comfortabel leven in de meeste delen van de Verenigde Staten met warme en vochtige zomers en koude winters te bouwen.

omgekeerd is de donkere ruimte erg koud, ongeveer 3K (- 454ºF), zodat de Aarde energie uitstraalt naar de donkere hemel., Door het feit dat wolken een lagere emissiviteit hebben dan oceanen of landmassa ‘ s, reflecteren ze een deel van de straling terug naar het oppervlak, waardoor de warmteoverdracht naar de donkere ruimte sterk wordt verminderd, net zoals ze de warmteoverdracht in de atmosfeer gedurende de dag sterk verminderen. De snelheid van warmteoverdracht van grond en grassen kan zo snel zijn dat vorst kan optreden op heldere zomeravonden, zelfs op warme breedtegraden.

Controleer uw begrip

Wat is de verandering in de snelheid van de uitgestraalde warmte door een lichaam bij de temperatuur T1 = 20ºC vergeleken met wanneer het lichaam bij de temperatuur T2 = 40ºC is?,

oplossing

de uitgestraalde warmte is evenredig met het vierde vermogen van de absolute temperatuur. Omdat T1 = 293 K en T2 = 313 K, De snelheid van de warmteoverdracht toeneemt met ongeveer 30 procent van de oorspronkelijke snelheid.

Loopbaanaansluiting: raadpleging over energiebesparing

de kosten van energie worden over het algemeen beschouwd als zeer hoog in de nabije toekomst. Zo zal passieve beheersing van warmteverlies in zowel commerciële als huishoudelijke woningen steeds belangrijker worden., Energieadviseurs meten en analyseren de stroom van energie in en uit Huizen en zorgen ervoor dat een gezonde uitwisseling van lucht in het huis wordt gehandhaafd. De vooruitzichten voor een energieadviseur zijn sterk.

Probleemoplossingsstrategieën voor de methoden voor warmteoverdracht

onderzoeken de situatie om te bepalen welk type warmteoverdracht hierbij betrokken is.
Identificeer het (de) Type (N) warmteoverdracht—geleiding, convectie of straling.
Identificeer precies wat in het probleem moet worden bepaald (identificeer de onbekenden). Een geschreven lijst is erg handig.,
Maak een lijst van wat wordt gegeven of kan worden afgeleid uit het probleem zoals vermeld (identificeer de knowns).
los de juiste vergelijking op voor de te bepalen hoeveelheid (de onbekende).
voor geleiding is Vergelijking \displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\ geschikt. Tabel 1 in geleiding geeft een overzicht van thermische geleidbaarheid. Voor convectie, bepaal de hoeveelheid materie verplaatst en gebruik vergelijking Q = mcΔT, om de warmteoverdracht betrokken bij de temperatuurverandering van de vloeistof te berekenen., Als een faseverandering gepaard gaat met convectie, is Vergelijking Q = mLf of Q = mLv geschikt om de warmteoverdracht te vinden die bij de faseverandering betrokken is. Tabel 1 in faseverandering en latente warmte geeft informatie die relevant is voor faseverandering. Voor straling geeft vergelijking \displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}{t}=\sigma{e}a\left(T^4_2-t^4_1\right)\\ de netto warmteoverdrachtssnelheid.
voeg de known ‘ s samen met hun eenheden in de juiste vergelijking en verkrijg numerieke oplossingen compleet met eenheden.
controleer het antwoord om te zien of het redelijk is. Is het logisch?,

Sectieoverzicht

conceptuele vragen

bij het kijken naar een circus overdag in een grote, donkergekleurde tent, voelt u significante warmteoverdracht vanuit de tent. Leg uit waarom dit gebeurt.
satellieten die ontworpen zijn om de straling van de koude (3 K) donkere ruimte te observeren, hebben sensoren die in de schaduw staan van de zon, de aarde en de Maan en die worden afgekoeld tot zeer lage temperaturen. Waarom moeten de sensoren op lage temperatuur zijn?
Waarom zijn bewolkte nachten over het algemeen warmer dan heldere nachten?,
Waarom zijn thermometers die worden gebruikt in weerstations beschermd tegen de zon? Wat meet een thermometer als hij beschermd is tegen de zon en ook als hij dat niet is?
zou de aarde gemiddeld warmer of koeler zijn zonder de atmosfeer? Leg je antwoord uit.

problemen & oefeningen

bij wat voor nettosnelheid straalt warmte uit een zwart dak van 275 m2 op een nacht wanneer de temperatuur van het dak 30,0 ºC is en de omgevingstemperatuur 15,0 ºC is? De emissiviteit van het dak is 0.900.,
(a) kersenrode sintels in een open haard zijn bij 850ºC en hebben een blootgestelde oppervlakte van 0,200 m2 en een emissiviteit van 0,980. De omringende ruimte heeft een temperatuur van 18,0 ºC. Als 50% van de stralingsenergie de kamer binnenkomt, wat is dan de netto overdracht van stralingswarmte in kilowatt? (b) ondersteunt uw antwoord de stelling dat het grootste deel van de warmteoverdracht naar een kamer door een open haard afkomstig is van infrarode straling?
straling maakt het onmogelijk om dicht bij een hete lavastroom te staan. Bereken de snelheid van warmteoverdracht door straling van 1,00 m2 van 1200ºC verse lava in 30.,0ºC omgeving, aangenomen dat lava ‘ s emissiviteit 1.00 is.
(a) Bereken de warmteoverdracht door straling van een autoradiator bij 110ºC naar een omgeving van 50,0 ºC, als de radiator een emissiviteit heeft van 0,750 en een oppervlakte van 1,20 m2. (b) is dit een significant deel van de warmteoverdracht door een automobiel motor? Om dit te beantwoorden, veronderstellen een PK van 200 pk (1,5 kW) en de efficiëntie van auto-motoren als 25%.
vind de netto warmteoverdracht door straling van een skiër die in de schaduw staat, gegeven het volgende., Ze is volledig in het wit gekleed (van kop tot voet, inclusief skimasker), de kleding heeft een emissiviteit van 0.200 en een oppervlaktetemperatuur van 10,0 ºC, de omgeving is -15,0 ºC en haar oppervlakte is 1.60 m2.
stel dat u een sauna binnenloopt met een omgevingstemperatuur van 50,0 ºC. (a) Bereken de snelheid van warmteoverdracht aan u door straling gezien uw huidtemperatuur is 37,0 ºC, de emissiviteit van de huid is 0,98, en de oppervlakte van uw lichaam is 1,50 m2., (b) als alle andere vormen van warmteoverdracht in evenwicht zijn (de netto warmteoverdracht is nul), in welk tempo zal je lichaamstemperatuur stijgen als je massa 75,0 kg is?
Thermografie is een techniek voor het meten van stralingswarmte en het detecteren van variaties in oppervlaktetemperaturen die medisch, ecologisch of militair van betekenis kunnen zijn.(A) Wat is de procentuele toename van de warmteoverdracht door straling van een bepaald gebied bij een temperatuur van 34,0 ºC in vergelijking met die bij 33,0 ºC, zoals op de huid van een persoon?, (B) Wat is de procentuele toename van de warmteoverdracht door straling van een bepaald gebied bij een temperatuur van 34,0 ºC in vergelijking met die bij 20,0 ºC, zoals bij warme en koele motorkappen?

Figuur 8. Artist ‘ s vertolking van een Thermografie van het bovenlichaam van een patiënt, met de verdeling van warmte vertegenwoordigd door verschillende kleuren.
De zon straalt als een perfect zwart lichaam met een emissiviteit van precies 1. (a) Bereken de oppervlaktetemperatuur van de zon, aangezien het een bol met een 7 is.,Een straal van 00 × 108 m die 3,80 × 1026 W in een ruimte van 3 K uitstraalt. (b) hoeveel vermogen straalt de zon uit per vierkante meter van haar oppervlak? (C) hoeveel vermogen in watt per vierkante meter is die waarde op de afstand van de aarde, 1,50 × 1011 m afstand? (Dit getal wordt de zonneconstante genoemd.)
een grote lava van een vulkaan is gestopt met stromen en koelt langzaam af. De binnenkant van de lava is op 1200ºC, het oppervlak is op 450ºC, en de omgeving is op 27.0 ºC. (a) Bereken de snelheid waarmee energie door straling wordt overgedragen van 1.,00 m2 oppervlakte lava in de omgeving, ervan uitgaande dat de emissiviteit 1,00 is. (b) Stel dat warmtegeleiding naar het oppervlak met dezelfde snelheid plaatsvindt. Wat is de dikte van de lava tussen het oppervlak van 450ºC en het inwendige van 1200ºC, ervan uitgaande dat de geleiding van de lava hetzelfde is als die van baksteen?
Bereken de temperatuur die de hele hemel zou moeten hebben om energie door straling van 1000 W/m2 over te brengen—ongeveer de snelheid waarmee de zon uitstraalt wanneer ze direct boven een heldere dag staat., Deze waarde is de effectieve temperatuur van de hemel, een soort gemiddelde dat rekening houdt met het feit dat de zon slechts een klein deel van de hemel bezet, maar is veel warmer dan de rest. Stel dat het lichaam dat de energie ontvangt een temperatuur heeft van 27,0 ºC.
(a) een shirtloze ruiter onder een circustent voelt de warmte die uit het zonovergoten gedeelte van de tent straalt. Bereken de temperatuur van het tentdoek op basis van de volgende informatie: de huidtemperatuur van de shirtloze rijder is 34,0 ºC en heeft een emissiviteit van 0,970. De blootgestelde oppervlakte van de huid is 0,400 m2., Hij ontvangt straling met een snelheid van 20,0 W-de helft van wat je zou berekenen als het hele gebied achter hem warm was. De rest van de omgeving is op 34,0 ºC. (B) bespreken hoe deze situatie zou veranderen als de zonovergoten kant van de tent bijna zuiver wit was en als de Ruiter bedekt was met een witte tuniek.
geïntegreerde Concepten. Op een dag van 30,0 ºC is de relatieve luchtvochtigheid 75,0%, en die avond daalt de temperatuur tot 20,0 ºC, ruim onder het dauwpunt. (a) hoeveel gram water condenseren uit elke kubieke meter lucht? (B) hoeveel warmteoverdracht vindt plaats door deze condensatie?, (C) welke temperatuurstijging kan dit veroorzaken in droge lucht?
geïntegreerde Concepten. Grote meteoren slaan soms op de aarde en zetten het grootste deel van hun kinetische energie om in thermische energie. (A) Wat is de kinetische energie van een 109 kg meteoor die beweegt bij 25,0 km/s? (b) als deze meteoor in een diepe oceaan landt en 80% van zijn kinetische energie in verwarmend water gaat, hoeveel kilo water zou hij dan met 5,0 ºC kunnen verhogen? (C) bespreken hoe de energie van de meteoor waarschijnlijker wordt afgezet in de oceaan en de waarschijnlijke effecten van die energie.
geïntegreerde Concepten., Bevroren afval van vliegtuigtoiletten is soms per ongeluk op grote hoogte uitgeworpen. Gewoonlijk breekt en verspreidt het zich over een groot gebied, maar soms houdt het zich bij elkaar en slaat het op de grond. Bereken de massa van 0ºC ijs dat kan worden gesmolten door de conversie van kinetische en gravitatiepotentiaal energie wanneer een stuk bevroren afval van 20,0 kg wordt afgegeven op 12,0 km hoogte terwijl het beweegt op 250 m/s en de grond raakt op 100 m/s (aangezien minder dan 20,0 kg smelt, een aanzienlijke puinhoop resulteert).
geïntegreerde Concepten., (a) een grote elektriciteitscentrale produceert 1600 MW “afvalwarmte”, die in koeltorens wordt afgevoerd naar het milieu door de verwarmende lucht die 5,00 ºC door de torens stroomt. Wat is de benodigde luchtstroom in m3 / s? (b) komt uw resultaat overeen met de grote koeltorens die door veel grote elektriciteitscentrales worden gebruikt?
geïntegreerde Concepten. (A) Stel dat je begint met een training op een Stairmaster, die kracht produceert met hetzelfde tempo als het beklimmen van 116 trappen per minuut. Ervan uitgaande dat je massa 76,0 kg is en je efficiëntie 20 is.,0% , hoe lang duurt het voordat je lichaamstemperatuur 1,00 ºC stijgt als alle andere vormen van warmteoverdracht in en uit je lichaam in balans zijn? (b) is dit in overeenstemming met uw ervaring in het warm krijgen tijdens het sporten?
geïntegreerde Concepten. Een persoon van 76,0 kg die lijdt aan onderkoeling komt binnen en rilt hevig. Hoe lang duurt de warmteoverdracht om de lichaamstemperatuur van de persoon met 2,00 ºC te verhogen als alle andere vormen van warmteoverdracht in evenwicht zijn?
geïntegreerde Concepten. In bepaalde grote geografische gebieden is de onderliggende rots heet., Putten kunnen worden geboord en water circuleert door het gesteente voor warmteoverdracht voor de opwekking van elektriciteit. (a) Bereken de warmteoverdracht die kan worden gewonnen door 1.00 km3 graniet met 100ºC te koelen. (B) Hoe lang zal het duren voor de warmteoverdracht met een snelheid van 300 MW, ervan uitgaande dat er geen warmteoverdracht terug naar het 1.00km3 gesteente door zijn omgeving?
geïntegreerde Concepten. Warmteoverdracht van je longen en ademwegen door verdamping van water. (a) Bereken het maximum aantal gram water dat kan worden verdampt wanneer u inhaleert 1.,50 L van 37ºC lucht met een oorspronkelijke relatieve luchtvochtigheid van 40,0%. (Neem aan dat de lichaamstemperatuur ook 37ºC is.) (B) hoeveel joule energie zijn nodig om deze hoeveelheid te verdampen? (C) Wat is de snelheid van de warmteoverdracht in watt van deze methode, als je ademt met een normale rustsnelheid van 10,0 ademhalingen per minuut?
geïntegreerde Concepten. (A) Wat is de temperatuurstijging van water dat 55,0 m boven de Niagara Falls valt? (B) welke fractie moet verdampen om de temperatuur constant te houden?
geïntegreerde Concepten. Hete lucht stijgt omdat het is uitgebreid., Het verplaatst dan een groter volume koude lucht, die de drijvende kracht op het verhoogt. a) Bereken de verhouding tussen de drijfkracht en het gewicht van 50,0 ºC lucht omgeven door 20,0 ºC lucht. (B) welke energie is er nodig om 1.00m3 lucht te laten gaan van 20,0 ºC naar 50,0 ºC? (C) welke potentiële gravitatieenergie wordt gewonnen door dit volume lucht als het 1.00 m stijgt? Zal dit leiden tot een aanzienlijke koeling van de lucht?
onredelijke resultaten. (A) Wat is de temperatuurstijging van een 80,0 kg persoon die 2500 kcal voedsel verbruikt in één dag met 95,0% van de energie overgedragen als warmte aan het lichaam?, (B) Wat is onredelijk aan dit resultaat? (C) welke premisse of aanname is verantwoordelijk?
onredelijke resultaten. Een enigszins gestoorde Arctische uitvinder omringd door ijs denkt dat het veel minder mechanisch complex zou zijn om een motor van een auto te koelen door er ijs op te smelten dan door een watergekoeld systeem te hebben met een radiator, waterpomp, antivries, enzovoort. (A) als 80,0% van de energie in 1,00 gal benzine wordt omgezet in “afvalwarmte” in een automotor, hoeveel kilo 0ºC ijs kan het smelten? (b) Is dit een redelijke hoeveelheid ijs te dragen rond om de motor te koelen voor 1.,00 gal benzine verbruik? c) welke premissen of veronderstellingen zijn onredelijk?
onredelijke resultaten. (a) Bereken de warmteoverdrachtssnelheid door geleiding door een raam met een oppervlakte van 1,00 m2 die 0,750 cm dik is, indien het binnenoppervlak 22,0 ºC en het buitenoppervlak 35,0 ºC bedraagt. (B) Wat is onredelijk aan dit resultaat? (C) welke premisse of aanname is verantwoordelijk?
onredelijke resultaten. Een meteoriet met een diameter van 1,20 cm is direct na het doordringen in de atmosfeer zo heet dat hij 20,0 kW vermogen uitstraalt., (A) Wat is de temperatuur, als de omgeving op 20,0 ºC is en het een emissiviteit heeft van 0,800? (B) Wat is onredelijk aan dit resultaat? (C) welke premisse of aanname is verantwoordelijk?
construeer uw eigen probleem. Overweeg een nieuw model van commercieel vliegtuig met zijn remmen getest als onderdeel van de eerste vluchtvergunning procedure. Het vliegtuig wordt naar de startsnelheid gebracht en dan gestopt met de remmen alleen. Construeer een probleem waarbij je de temperatuurstijging van de remmen tijdens dit proces berekent., Je mag aannemen dat het grootste deel van de kinetische energie van het vliegtuig wordt omgezet in thermische energie in de remmen en omringende materialen, en dat er weinig ontsnapt. Merk op dat de remmen naar verwachting zo heet worden in deze procedure dat ze ontbranden en, om de test te halen, moet het vliegtuig in staat zijn om de brand te weerstaan voor enige tijd zonder een algemene brand.
construeer uw eigen probleem. Overweeg een persoon buiten op een koude nacht. Construeer een probleem waarbij je de snelheid van warmteoverdracht van de persoon berekent door alle drie de warmteoverdracht methoden., Maak de eerste omstandigheden zodanig dat in rust de persoon een netto warmteoverdracht zal hebben en dan beslissen hoeveel fysieke activiteit van een gekozen type nodig is om de snelheid van warmteoverdracht in evenwicht te brengen. Een van de dingen om te overwegen zijn de grootte van de persoon, type kleding, initiële stofwisseling, luchtomstandigheden, hoeveelheid water verdampt, en het volume van de lucht ingeademd. Natuurlijk, er zijn vele andere factoren te overwegen en uw instructeur kan wensen om u te begeleiden in de veronderstellingen gemaakt, evenals de details van de analyse en de methode van de presentatie van uw resultaten.,
broeikaseffect: opwarming van de aarde door gassen als koolstofdioxide en methaan die infrarode straling van het aardoppervlak absorberen en in alle richtingen heradieren, waardoor een deel ervan naar het aardoppervlak wordt teruggestuurd

netto warmteoverdracht door straling: is \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left ({T}}_{2}^{4}-{ T}_{1}^{4}\rechts)\ \

straling: energie die rechtstreeks door elektromagnetische golven wordt overgedragen als gevolg van een temperatuurverschil

geselecteerde oplossingen voor problemen & oefeningen

1., -21,7 kW; merk op dat het negatieve antwoord warmteverlies aan de omgeving impliceert.

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) een zuiver wit object reflecteert meer van de stralingsenergie die het raakt, zodat een witte tent zou voorkomen dat meer zonlicht de binnenkant van de tent verwarmt, en de witte tuniek zou voorkomen dat de hitte die de tent binnenkwam de Ruiter verwarmt. Daarom zou de temperatuur bij een witte tent lager zijn dan 48.,5ºC, en de snelheid van de stralingswarmte overgedragen aan de ruiter zou minder dan 20,0 W.

13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) wanneer een grote meteoor de oceaan raakt, veroorzaakt hij grote vloedgolven, waardoor een grote hoeveelheid van zijn energie verdwijnt in de vorm van kinetische energie van het water.

15. (a) 3,44 × 105 m3/s; (b) Dit komt overeen met 12 miljoen kubieke voet lucht per seconde. Dat is geweldig. Deze is te groot om te worden afgevoerd door het verwarmen van de lucht met slechts 5ºC. Veel van deze koeltorens gebruiken de circulatie van koelere lucht over warmer water om de verdamping te verhogen., Hierdoor zouden veel kleinere hoeveelheden lucht nodig zijn om zo ‘ n grote hoeveelheid warmte te verwijderen, omdat verdamping grotere hoeveelheden warmte verwijdert dan in deel a werd overwogen.

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. Dit zal geen significante koeling van de lucht veroorzaken omdat deze veel minder is dan de energie in Deel (b), dat is de energie die nodig is om de lucht te verwarmen van 20,0 ºC tot 50,0 ºC.

22. (a) 36ºC; (b) om het even welke temperatuurstijging groter dan ongeveer 3ºC zou onredelijk groot zijn., In dit geval zou de uiteindelijke temperatuur van de persoon stijgen tot 73ºC(163ºF); (c) de aanname van 95% warmtebehoud is onredelijk.

24. (a) 1,46 kW; (B) zeer groot vermogensverlies door een raam. Een elektrische kachel van dit vermogen kan een hele kamer warm houden; (c) de oppervlaktetemperaturen van het raam verschillen niet zo groot als aangenomen. Het binnenoppervlak zal warmer zijn, en het buitenoppervlak zal koeler zijn.