Promieniowanie / Fizyka

cele nauki

pod koniec tej sekcji będziesz mógł:

omówić przenoszenie ciepła przez promieniowanie.
wyjaśnij moc różnych materiałów.

można poczuć przenikanie ciepła od ognia i od Słońca. Podobnie, czasami można powiedzieć, że piekarnik jest gorący bez dotykania drzwi lub zaglądania do środka—może po prostu ogrzać cię, gdy przechodzisz. Przestrzeń między Ziemią a Słońcem jest w dużej mierze pusta, bez możliwości przenoszenia ciepła przez konwekcję lub przewodzenie., W tych przykładach ciepło jest przenoszone przez promieniowanie. Oznacza to, że gorące ciało emituje fale elektromagnetyczne, które są absorbowane przez naszą skórę: żadne medium nie jest wymagane do propagacji fal elektromagnetycznych. Różne nazwy są używane dla fal elektromagnetycznych o różnych długościach fal: fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

Rysunek 1. Większość ciepła przenoszonego z tego ognia do obserwatorów jest przez promieniowanie podczerwone., Światło widzialne, choć dramatyczne, przenosi stosunkowo niewiele energii cieplnej. Konwekcja przenosi energię z dala od obserwatorów, gdy gorące powietrze unosi się, podczas gdy przewodzenie jest tutaj niedbale wolne. Skóra jest bardzo wrażliwa na promieniowanie podczerwone, dzięki czemu można wyczuć obecność ognia bez patrzenia na niego bezpośrednio. (źródło: Daniel X. O ' Neil)

energia promieniowania elektromagnetycznego zależy od długości fali (koloru) i zmienia się w szerokim zakresie: mniejsza długość fali (lub wyższa częstotliwość) odpowiada wyższej energii., Ponieważ więcej ciepła jest emitowane w wyższych temperaturach, zmianie temperatury towarzyszy zmiana koloru. Weźmy na przykład element elektryczny na piecu, który świeci od czerwonego do pomarańczowego, podczas gdy Stal o wyższej temperaturze w wielkim piecu świeci od żółtego do białego. Promieniowanie, które odczuwasz, to głównie podczerwień, która odpowiada niższej temperaturze niż temperatura elementu elektrycznego i stali. Energia promieniowania zależy od jego intensywności, która jest reprezentowana na rysunku 2 przez wysokość rozkładu.,

fale elektromagnetyczne wyjaśnia więcej o widmie elektromagnetycznym i wprowadzenie do fizyki kwantowej omawia, w jaki sposób spadek długości fali odpowiada wzrostowi energii.

Rysunek 2. a) Wykres widm fal elektromagnetycznych emitowanych z idealnego radiatora w trzech różnych temperaturach. Intensywność lub szybkość emisji promieniowania wzrasta dramatycznie wraz z temperaturą, a widmo przesuwa się w kierunku widzialnej i ultrafioletowej części widma., Część cieniowana oznacza widoczną część widma. Jest oczywiste, że przesunięcie w kierunku ultrafioletu z temperaturą sprawia, że widoczny wygląd zmienia się z czerwonego na biały na niebieski wraz ze wzrostem temperatury. b) zwróć uwagę na zmiany koloru odpowiadające zmianom temperatury płomienia. (kredyt: Tuohirulla)

Rysunek 3. Ta ilustracja pokazuje, że ciemniejszy chodnik jest gorętszy niż lżejszy chodnik( znacznie więcej lodu po prawej stopiło się), chociaż oba były w tym samym czasie na słońcu., Przewodność cieplna chodników jest taka sama.

wszystkie obiekty pochłaniają i emitują promieniowanie elektromagnetyczne. Szybkość przenikania ciepła przez promieniowanie zależy w dużej mierze od koloru obiektu. Czarny jest najbardziej skuteczny, a biały jest najmniej skuteczny. Ludzie żyjący w gorącym klimacie zazwyczaj unikają noszenia czarnych ubrań, na przykład (patrz eksperyment Take-Home: temperatura na słońcu). Podobnie czarny asfalt na parkingu będzie gorętszy niż sąsiedni szary chodnik w letni dzień, ponieważ czarny wchłania się lepiej niż szary., Odwrotność jest również prawdziwa—czerń promieniuje lepiej niż szarość. Tak więc, w pogodną letnią noc, asfalt będzie zimniejszy niż szary chodnik, ponieważ czarny promieniuje energią szybciej niż szary. Idealny grzejnik ma ten sam kolor co idealny pochłaniacz i wychwytuje całe promieniowanie, które na niego pada. Natomiast biel jest słabym absorberem, a także słabym kaloryferem. Biały obiekt odbija całe promieniowanie, jak lustro. (Idealna, polerowana biała powierzchnia ma lustrzany wygląd, a zmiażdżone lustro wygląda na białe.,)

Obiekty szare mają jednolitą zdolność pochłaniania wszystkich części widma elektromagnetycznego. Kolorowe obiekty zachowują się w podobny, ale bardziej złożony sposób, co nadaje im konkretny kolor w zakresie widzialnym i może uczynić je wyjątkowymi w innych zakresach widma niepodzielnego. Weźmy na przykład silne wchłanianie promieniowania podczerwonego przez skórę, co pozwala nam być na nią bardzo wrażliwymi.

Rysunek 4. Czarny obiekt jest dobrym absorberem i dobrym radiatorem, podczas gdy biały (lub srebrny) obiekt jest słabym absorberem i słabym radiatorem., To tak, jakby promieniowanie od wewnątrz odbijało się z powrotem do srebrnego obiektu, podczas gdy promieniowanie od wewnątrz czarnego obiektu jest „absorbowane”, gdy uderza w powierzchnię i znajduje się na zewnątrz i jest silnie emitowane.

szybkość przenikania ciepła przez emitowane promieniowanie jest określona przez prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna:

\displaystyle\frac{Q}{T}=\sigma{e}przy^{4}\\,

gdzie σ = 5,67 × 10-8 J / s · m2 · K4 jest stałą Stefana-Boltzmanna, a jest stałą powierzchnia obiektu, a t to jego temperatura bezwzględna w kelwinach., Symbol e oznacza emisyjność obiektu, która jest miarą tego, jak dobrze promieniuje. Idealny reflektor jet-black (lub czarny korpus) ma e = 1, natomiast idealny reflektor ma e = 0. Obiekty rzeczywiste mieszczą się pomiędzy tymi dwoma wartościami. Weźmy na przykład żarówki wolframowe, które mają e około 0,5 i sadzę (Materiał stosowany w tonerze do drukarek), która ma (największą znaną) emisyjność około 0,99.

szybkość promieniowania jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej—niezwykle silna zależność temperatury., Ponadto wypromieniowane ciepło jest proporcjonalne do powierzchni obiektu. Jeśli rozwalisz węgle ognia, zauważalny jest wzrost promieniowania ze względu na wzrost powierzchni promieniującej.

Rysunek 5. Termograf części budynku pokazuje wahania temperatury, wskazując, gdzie przenikanie ciepła na zewnątrz jest najcięższe. Okna są głównym regionem wymiany ciepła na zewnątrz domów. (kredyt: USA, Army)

Skin jest wybitnie dobrym pochłaniaczem i emiterem promieniowania podczerwonego, o emisyjności 0,97 w widmie podczerwieni. Tak więc wszyscy jesteśmy prawie (jet) Czarni w podczerwieni, pomimo oczywistych różnic w kolorze skóry. Ta wysoka emisyjność podczerwieni sprawia, że tak łatwo odczuwamy promieniowanie na naszej skórze. Jest to również podstawa do użycia nocnych lunet używanych przez organy ścigania i wojsko do wykrywania ludzi. Nawet niewielkie wahania temperatury można wykryć ze względu na zależność T4., Obrazy, zwane termografami, mogą być używane medycznie do wykrywania regionów nienormalnie wysokiej temperatury w organizmie, być może wskazujących na chorobę. Podobne techniki można wykorzystać do wykrywania wycieków ciepła w domach rys. 5, optymalizacji wydajności wielkich pieców, poprawy poziomu komfortu w środowisku pracy, a nawet zdalnego odwzorowania profilu temperatury Ziemi.

wszystkie obiekty emitują i pochłaniają promieniowanie. Szybkość netto wymiany ciepła przez promieniowanie (absorpcja minus emisja) jest związana zarówno z temperaturą obiektu, jak i z temperaturą jego otoczenia., Przy założeniu, że obiekt o temperaturze T1 jest otoczony przez środowisko o jednolitej temperaturze T2, szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie wynosi

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

eksperyment z odbiorem domowym: temperatura na słońcu

/ h3 >

umieść termometr na słońcu i osłoń go przed bezpośrednim światłem słonecznym za pomocą folii aluminiowej. Co to za odczyt? Teraz zdejmij osłonę i zanotuj, co czyta termometr., Weź chusteczkę nasączoną zmywaczem do paznokci, owinąć ją wokół termometru i umieścić w słońcu. Co czyta termometr?

Ziemia odbiera prawie całą swoją energię z promieniowania Słońca i odbija jej część z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną. Ponieważ słońce jest cieplejsze niż Ziemia, strumień energii netto jest od Słońca do ziemi. Jednak szybkość transferu energii jest mniejsza niż równanie dla radiacyjnego transferu ciepła, ponieważ słońce nie wypełnia nieba. Średnia emisyjność (e) Ziemi wynosi około 0.,65, ale obliczenie tej wartości komplikuje fakt, że wysoce odblaskowe pokrycie chmur różni się znacznie z dnia na dzień. Istnieje ujemne sprzężenie zwrotne (takie, w którym zmiana powoduje efekt przeciwny tej zmianie) między chmurami a transferem ciepła; wyższe temperatury odparowują więcej wody, tworząc więcej chmur, które odbijają więcej promieniowania z powrotem w Przestrzeń, zmniejszając temperaturę. Często wspomniany efekt cieplarniany jest bezpośrednio związany ze zmiennością emisyjności Ziemi z rodzajem promieniowania (patrz rysunek 6)., Efekt cieplarniany jest zjawiskiem naturalnym odpowiedzialnym za zapewnienie temperatur odpowiednich dla życia na Ziemi. Relatywnie stała temperatura Ziemi jest wynikiem bilansu energetycznego pomiędzy nadchodzącym promieniowaniem słonecznym a energią promieniowaną z ziemi. Większość promieniowania podczerwonego emitowanego z Ziemi jest pochłaniana przez dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O) w atmosferze, a następnie ponownie wypromieniowywana z powrotem na ziemię lub w Przestrzeń Kosmiczną., Ponowne promieniowanie z powrotem do ziemi utrzymuje temperaturę powierzchni o około 40ºC wyższą niż byłoby, gdyby nie było atmosfery, podobnie jak szkło zwiększa temperaturę w szklarni.

Rysunek 6. Efekt cieplarniany to nazwa nadana zatrzymywaniu energii w atmosferze ziemskiej w procesie podobnym do tego stosowanego w szklarniach. Atmosfera, podobnie jak szkło okienne, jest przezroczysta dla napływającego promieniowania widzialnego i większości podczerwieni słońca. Fale te są absorbowane przez ziemię i ponownie emitowane w podczerwieni., Ponieważ temperatura Ziemi jest znacznie niższa niż słońca, podczerwień emitowana przez Ziemię ma znacznie dłuższą długość fali. Atmosfera, podobnie jak szkło, zatrzymuje te dłuższe promienie podczerwone, utrzymując ziemię cieplejszą niż w innym przypadku. Ilość pułapek zależy od stężenia gazów śladowych, takich jak dwutlenek węgla, i uważa się, że zmiana stężenia tych gazów wpływa na temperaturę powierzchni Ziemi.,

efekt cieplarniany jest również kluczowym elementem dyskusji na temat globalnego ocieplenia spowodowanego emisją dwutlenku węgla i metanu (i innych tzw. gazów cieplarnianych) do atmosfery ziemskiej z produkcji przemysłowej i rolnictwa. Zmiany klimatu na świecie mogą prowadzić do bardziej intensywnych burz ,zmian opadów (wpływających na rolnictwo), zmniejszenia różnorodności biologicznej lasów deszczowych i podniesienia poziomu mórz.

Rysunek 7., Ta prosta, ale skuteczna kuchenka słoneczna wykorzystuje efekt cieplarniany i materiał odblaskowy do zatrzymywania i zatrzymywania energii słonecznej. Wykonany z niedrogich, trwałych materiałów, oszczędza pieniądze i pracę i ma szczególną wartość ekonomiczną w krajach rozwijających się ubogich w energię. (źródło: E. B. Kauai)

ogrzewanie i chłodzenie są często znaczącymi czynnikami wpływającymi na zużycie energii w poszczególnych domach., Obecne badania nad rozwojem przyjaznych dla środowiska domów często koncentrują się na zmniejszeniu konwencjonalnego ogrzewania i chłodzenia dzięki lepszym materiałom budowlanym, strategicznie pozycjonowaniu okien w celu optymalizacji promieniowania od Słońca i otwieraniu przestrzeni, aby umożliwić konwekcję. Możliwe jest zbudowanie domu o zerowej energii, który pozwala na komfortowe życie w większości części Stanów Zjednoczonych z gorącymi i wilgotnymi latami i mroźnymi zimami.

odwrotnie, ciemna przestrzeń jest bardzo zimna, około 3K(−454ºF), tak że Ziemia promieniuje energią do Ciemnego Nieba., Ze względu na fakt, że chmury mają mniejszą emisyjność niż oceany lub masy lądowe, odbijają część promieniowania z powrotem na powierzchnię, znacznie zmniejszając transfer ciepła do ciemnej przestrzeni, podobnie jak znacznie zmniejszają transfer ciepła do atmosfery w ciągu dnia. Szybkość wymiany ciepła z gleby i traw może być tak szybka, że mróz może wystąpić w pogodne letnie wieczory, nawet na ciepłych szerokościach geograficznych.

Sprawdź swoje zrozumienie

Jaka jest zmiana szybkości promieniowania cieplnego ciała w temperaturze T1 = 20ºC w porównaniu do temperatury ciała T2 = 40ºC?,

rozwiązanie

wypromieniowane ciepło jest proporcjonalne do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej. Ponieważ T1 = 293 K i T2 = 313 K, szybkość wymiany ciepła wzrasta o około 30 procent pierwotnej szybkości.

Career Connection: Energy Conservation Consultation

uważa się, że koszt energii pozostanie bardzo wysoki w najbliższej przyszłości. W ten sposób coraz ważniejsze staje się pasywne kontrolowanie strat ciepła zarówno w mieszkaniach komercyjnych, jak i domowych., Konsultanci ds. energii mierzą i analizują przepływ energii do i z domów oraz zapewniają utrzymanie zdrowej wymiany powietrza wewnątrz domu. Perspektywy zatrudnienia konsultanta energetycznego są duże.

strategie rozwiązywania problemów dla metod wymiany ciepła

określ rodzaj(y) przewodzenia ciepła—przewodzenia, konwekcji lub promieniowania.
Określ dokładnie, co należy określić w problemie(zidentyfikuj niewiadome). Spisana lista jest bardzo przydatna.,
Zrób listę tego, co jest podane lub co można wywnioskować z problemu zgodnie z opisem(zidentyfikuj znane).
Rozwiąż odpowiednie równanie dla ilości, która ma być określona (nieznana).
dla przewodzenia równanie \displaystyle\frac{Q}{T}=\frac{kA\left(t_2-T_1\right)}{d}\\ jest odpowiednie. W tabeli 1 w przewodnictwie wymienia się przewodnictwo cieplne. W przypadku konwekcji określ ilość poruszanej materii i użyj równania Q = mcΔT, aby obliczyć transfer ciepła związany ze zmianą temperatury płynu., Jeśli przemiana fazowa towarzyszy konwekcji, równanie Q = mLf lub Q = mLv jest odpowiednie do znalezienia wymiany ciepła biorącego udział w zmianie fazy. Tabela 1 w zakresie zmiany fazy i ciepła utajonego zawiera informacje istotne dla zmiany fazy. Dla promieniowania, równanie \displaystyle \ frac{Q_ {\text{net}}} {t}= \ sigma{e} a \ left (T^4_2-T^4_1 \ right) \ \ podaje przepływ ciepła netto.
Wstaw znamiona wraz z ich jednostkami do odpowiedniego równania i uzyskaj rozwiązania numeryczne pełne jednostkami.
Sprawdź odpowiedź, czy jest rozsądna. Czy to ma sens?,

podsumowanie sekcji

pytania koncepcyjne

oglądając cyrk w ciągu dnia w dużym, ciemnym namiocie, wyczuwasz znaczny transfer ciepła z namiotu. Wyjaśnij, dlaczego tak się dzieje.
satelity przeznaczone do obserwacji promieniowania z zimnej (3 K) ciemnej przestrzeni mają czujniki, które są zacienione od Słońca, Ziemi i księżyca i które są chłodzone do bardzo niskich temperatur. Dlaczego czujniki muszą być w niskiej temperaturze?
dlaczego pochmurne noce są generalnie cieplejsze niż jasne?,
dlaczego Termometry stosowane w stacjach pogodowych są chronione przed słońcem? Co mierzy termometr, jeśli jest chroniony przed słońcem, a także jeśli nie jest?
czy Ziemia byłaby cieplejsza czy chłodniejsza bez atmosfery? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

problemy & ćwiczenia

w jakim tempie netto ciepło promieniuje z czarnego dachu o powierzchni 275 m2 w nocy, gdy temperatura dachu wynosi 30,0 ºC, a temperatura otoczenia 15,0 ºC? Emisyjność dachu wynosi 0,900.,
(a) wiśniowo-czerwone Żary w kominku są w temperaturze 850ºC i mają odsłoniętą powierzchnię 0.200 m2 i emisyjność 0.980. Temperatura otoczenia wynosi 18,0 ºC. Jeżeli do pomieszczenia trafia 50% energii promieniowania, jaka jest szybkość netto wymiany ciepła promieniowania w kilowatach? b) czy Twoja odpowiedź potwierdza twierdzenie, że większość ciepła przekazywanego do pomieszczenia przez kominek pochodzi z promieniowania podczerwonego?
promieniowanie uniemożliwia stanie w pobliżu strumienia gorącej lawy. Oblicz szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie z 1.00 m2 świeżej lawy 1200ºc do 30.,Otoczenie 0ºC, zakładając, że emisyjność lawy wynosi 1.00.
(a) Oblicz szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie z chłodnicy samochodowej w temperaturze 110ºC do środowiska 50,0 ºC, jeśli chłodnica ma emisyjność 0,750 i powierzchnię 1,20 m2. b) czy jest to znaczna część wymiany ciepła przez silnik samochodowy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy przyjąć moc 200 KM (1,5 kW) i sprawność silników samochodowych na poziomie 25%.
Znajdź szybkość netto wymiany ciepła przez promieniowanie od narciarza stojącego w cieniu, biorąc pod uwagę następujące., Jest całkowicie ubrana na biało (od głowy do stóp, w tym maska narciarska), ubrania mają emisyjność 0,200 i temperaturę powierzchni 10,0 ºC, otoczenie wynosi−15,0 ºC, a jej powierzchnia wynosi 1,60 m2.
Załóżmy, że wejdziesz do sauny, w której temperatura otoczenia wynosi 50,0 ºC. (a) Oblicz szybkość przenikania ciepła przez promieniowanie, biorąc pod uwagę temperaturę skóry 37,0 ºC, emisyjność skóry 0,98, a powierzchnia ciała 1,50 m2., (b) jeśli wszystkie inne formy wymiany ciepła są zrównoważone (wymiana ciepła netto wynosi zero), z jakim tempem wzrośnie temperatura ciała, jeśli Twoja masa wynosi 75,0 kg?
Termografia jest techniką pomiaru ciepła promieniowania i wykrywania zmian temperatur powierzchni, które mogą mieć znaczenie medyczne, środowiskowe lub militarne.a) jaki jest procentowy wzrost szybkości przenikania ciepła przez promieniowanie z danego obszaru w temperaturze 34,0 ºC w porównaniu z temperaturą 33,0 ºC, np. na skórze człowieka?, b) jaki jest procentowy wzrost szybkości wymiany ciepła przez promieniowanie z danego obszaru w temperaturze 34,0 ºC w porównaniu z temperaturą 20,0 ºC, np. dla ciepłych i chłodnych okapów samochodowych?

Rysunek 8. Artystyczne wykonanie termografu górnej części ciała pacjenta, pokazującego rozkład ciepła reprezentowany przez różne kolory.
Słońce promieniuje jak idealne czarne ciało z emisyjnością równą dokładnie 1. a) obliczyć temperaturę powierzchni Słońca, biorąc pod uwagę, że jest to kula o 7.,Promień 00 × 108 M, który wypromieniowuje 3,80 × 1026 W w przestrzeni 3-k. (B) ile mocy promieniuje słońce na metr kwadratowy jego powierzchni? (c) ile mocy w watach na metr kwadratowy jest ta wartość w odległości od Ziemi, 1,50 × 1011 m? (Liczba ta nazywana jest stałą słoneczną.)
duża część lawy z wulkanu przestała płynąć i powoli ochładza się. Wnętrze lawy znajduje się w temperaturze 1200ºC, jej powierzchnia wynosi 450ºC, a otoczenie wynosi 27.0 ºC. a) obliczyć szybkość, z jaką energia jest przenoszona przez promieniowanie z 1.,00 m2 powierzchni lawy do otoczenia, przy założeniu emisyjności 1,00. (B) Załóżmy, że przewodzenie ciepła do powierzchni zachodzi w tym samym tempie. Jaka jest grubość lawy między powierzchnią 450ºc a wnętrzem 1200ºc, zakładając, że przewodność lawy jest taka sama jak w przypadku cegły?
Oblicz temperaturę całego nieba, aby przenieść energię promieniowania na poziomie 1000 W / m2—o szybkości, z jaką słońce promieniuje, gdy jest bezpośrednio nad głową w pogodny dzień., Ta wartość to Temperatura efektywna nieba, rodzaj średniej, która uwzględnia fakt, że Słońce zajmuje tylko niewielką część nieba, ale jest znacznie gorętsze niż reszta. Załóżmy, że ciało odbierające energię ma temperaturę 27,0 ºC.
(a) jeździec bez koszulki pod namiotem cyrkowym czuje ciepło promieniujące z nasłonecznionej części namiotu. Oblicz temperaturę płótna namiotowego na podstawie następujących informacji: temperatura skóry jeźdźca bez koszulki wynosi 34,0 ºC i ma emisyjność 0,970. Odsłonięta powierzchnia skóry wynosi 0.400 m2., Otrzymuje promieniowanie z szybkością 20.0 W—połowę tego, co można by obliczyć, gdyby cały obszar za nim był gorący. Reszta otoczenia ma temperaturę 34,0 ºC. B) omów, jak zmieniłaby się ta sytuacja, gdyby nasłoneczniona strona namiotu była prawie czysta biel i gdyby jeździec był przykryty białą tuniką.
koncepcje zintegrowane. Pewnego dnia 30,0 ºC wilgotność względna wynosi 75,0%, a wieczorem temperatura spada do 20,0 ºC, znacznie poniżej punktu rosy. a) ile gramów wody kondensuje się z każdego metra sześciennego powietrza? b) w jakim stopniu przenikanie ciepła następuje w wyniku tej kondensacji?, (c) jaki wzrost temperatury może to spowodować w suchym powietrzu?
koncepcje zintegrowane. Duże meteory czasami uderzają w ziemię, przekształcając większość swojej energii kinetycznej w energię cieplną. a) jaka jest energia kinetyczna meteoru o masie 109 kg poruszającego się z prędkością 25,0 km/s? (B) jeĹ „li meteor ten wyląduje w gĹ' Ä ™ bokim oceanie i 80% jego energii kinetycznej trafi do ciepĹ 'ej wody, ile kilogramăłw wody moĹĽe podnieĺ” Ä ‡ o 5.0 ºC? (c) omów, w jaki sposób energia meteoru jest bardziej prawdopodobna do zdeponowania w oceanie i prawdopodobne skutki tej energii.
koncepcje zintegrowane., Zamrożone odpady z toalet lotniczych były czasami przypadkowo wyrzucane na dużą wysokość. Zwykle rozbija się i rozprasza na dużym obszarze, ale czasami trzyma się razem i uderza w ziemię. Oblicz masę lodu o temperaturze 0ºC, który może zostać stopiony przez konwersję kinetycznej i grawitacyjnej energii potencjalnej, gdy 20,0 kg zamrożonych odpadów zostanie uwolnione na wysokości 12,0 km, poruszając się z prędkością 250 m/s i uderzając w ziemię z prędkością 100 m/s (ponieważ mniej niż 20,0 kg topi się, powstaje znaczący bałagan).
koncepcje zintegrowane., (a) duża elektrownia wytwarza 1600 MW „ciepła odpadowego”, które jest rozpraszane do środowiska w wieżach chłodniczych przez ogrzanie powietrza przepływającego przez wieże o 5,00 ºC. Jakie jest niezbędne natężenie przepływu powietrza w m3 / s? (b)czy wynik jest zgodny z dużymi wieżami chłodniczymi stosowanymi w wielu dużych elektrowniach?
koncepcje zintegrowane. (a) Załóżmy, że rozpoczniesz trening na Stairmasterze, wytwarzając moc w takim samym tempie, jak wspinanie się po schodach 116 na minutę. Zakładając, że masa wynosi 76,0 kg, a sprawność 20.,0%, jak długo potrwa wzrost temperatury ciała o 1,00 ºC, jeśli wszystkie inne formy wymiany ciepła w organizmie i poza nim są zrównoważone? b) czy jest to zgodne z twoim doświadczeniem w ogrzaniu się podczas ćwiczeń?
koncepcje zintegrowane. 76,0 kg osoba cierpiąca na hipotermię przychodzi do domu i energicznie drży. Jak długo trwa wymiana ciepła, aby zwiększyć temperaturę ciała osoby o 2,00 ºC, jeśli wszystkie inne formy wymiany ciepła są zrównoważone?
koncepcje zintegrowane. W niektórych dużych regionach geograficznych podłoże skały jest gorące., Studnie mogą być wiercone, a woda cyrkulowana przez skałę w celu wymiany ciepła w celu wytworzenia energii elektrycznej. a) obliczyć przenikanie ciepła, które można uzyskać przez chłodzenie 1,00 km3 granitu o 100ºC. b) jak długo potrwa wymiana ciepła z szybkością 300 MW, przy założeniu braku wymiany ciepła z powrotem do 1. 00km3 skały przez jej otoczenie?
koncepcje zintegrowane. Ciepło przenosi się z płuc i dróg oddechowych przez odparowanie wody. a) obliczyć maksymalną liczbę gramów wody, która może zostać odparowana podczas wdychania 1.,50 L powietrza o temperaturze 37ºC przy pierwotnej wilgotności względnej 40,0%. (Załóżmy, że temperatura ciała również wynosi 37ºC.) (B) ile dżuli energii jest potrzebnych do odparowania tej ilości? c) jaka jest szybkość wymiany ciepła w watach z tej metody, jeśli oddychasz z normalną szybkością spoczynkową 10,0 oddechów na minutę?
koncepcje zintegrowane. a) jaki jest wzrost temperatury wody spadającej 55,0 m nad wodospadem Niagara? b) jaka frakcja musi odparować, aby utrzymać stałą temperaturę?
koncepcje zintegrowane. Gorące powietrze unosi się, ponieważ się rozszerzyło., Następnie wypiera większą objętość zimnego powietrza, co zwiększa siłę wyporności na nim. a) obliczyć stosunek siły wyporu do masy powietrza 50,0 ºC otoczonego powietrzem 20,0 ºC. (B) jaka energia jest potrzebna, aby 1,00 m3 powietrza przechodziło z 20,0 ºC do 50,0 ºC? (c) jaka grawitacyjna energia potencjalna zyskuje owa objętość powietrza Jeśli wzrośnie ona o 1.00 m? Czy spowoduje to znaczne ochłodzenie powietrza?
a) jaki jest wzrost temperatury osoby 80,0 kg, która zużywa 2500 kcal pokarmu w ciągu jednego dnia z 95,0% energii przekazywanej jako ciepło do organizmu?, b) co jest nierozsądne w tym wyniku? c) które założenie lub założenie jest odpowiedzialne?
Nieco obłąkany wynalazca Arktyki otoczony lodem uważa, że chłodzenie silnika samochodowego przez topienie lodu byłoby znacznie mniej skomplikowane mechanicznie niż posiadanie systemu chłodzonego wodą z chłodnicą, pompą wodną, środkiem przeciw zamarzaniu i tak dalej. a) jeśli 80,0% energii w 1,00 g benzyny zostanie zamienione w” ciepło odpadowe ” w silniku samochodowym, ile kilogramów lodu o temperaturze 0ºC może się stopić? b) czy jest to rozsądna ilość lodu do noszenia w celu schłodzenia silnika na 1.,00 g benzyny? c) jakie przesłanki lub założenia są nieuzasadnione?
(a) Oblicz szybkość wymiany ciepła przez przewodzenie przez okno o powierzchni 1,00 m2 o grubości 0,750 cm, jeśli jego wewnętrzna powierzchnia wynosi 22,0 ºC, a zewnętrzna 35,0 ºC. b) co jest nierozsądne w tym wyniku? c) które założenie lub założenie jest odpowiedzialne?
Meteoryt o średnicy 1,20 cm jest tak gorący natychmiast po penetracji atmosfery, że promieniuje 20,0 kW mocy., A) Jaka jest jego temperatura, jeśli otoczenie ma 20,0 ºC i ma emisyjność 0,800? b) co jest nierozsądne w tym wyniku? c) które założenie lub założenie jest odpowiedzialne?
Rozważmy nowy model samolotu komercyjnego, którego hamulce zostały przetestowane w ramach wstępnej procedury pozwolenia na lot. Samolot jest doprowadzany do prędkości startu, a następnie zatrzymywany z samymi hamulcami. Skonstruować problem, w którym można obliczyć wzrost temperatury hamulców podczas tego procesu., Można założyć, że większość energii kinetycznej samolotu jest przekształcana w energię cieplną w hamulcach i otaczających materiałach, a to niewiele ucieka. Należy pamiętać, że hamulce powinny stać się tak gorące w tej procedurze, że zapalają się i, aby przejść test, samolot musi być w stanie wytrzymać ogień przez jakiś czas bez ogólnego pożaru.
Rozważ osobę na zewnątrz w zimną noc. Skonstruuj problem, w którym obliczysz szybkość wymiany ciepła od osoby za pomocą wszystkich trzech metod wymiany ciepła., Spraw, aby początkowe okoliczności były takie, że w spoczynku osoba będzie miała netto transfer ciepła, a następnie zdecyduj, ile aktywności fizycznej wybranego typu jest konieczne, aby zrównoważyć szybkość transferu ciepła. Wśród rzeczy, które należy wziąć pod uwagę, są Rozmiar osoby, rodzaj odzieży, początkowa przemiana materii, warunki na niebie, ilość odparowanej wody i objętość powietrza wdychanego. Oczywiście istnieje wiele innych czynników do rozważenia i instruktor może chcieć poprowadzić Cię w przyjętych założeniach, a także w szczegółach analizy i sposobu prezentacji wyników.,
efekt cieplarniany: ocieplenie Ziemi spowodowane gazami takimi jak dwutlenek węgla i metan, które pochłaniają promieniowanie podczerwone z powierzchni Ziemi i przekierowują je we wszystkich kierunkach, wysyłając w ten sposób ułamek tego promieniowania z powrotem w kierunku powierzchni Ziemi

szybkość netto wymiany ciepła przez promieniowanie: is \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left ({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\prawo)\\

promieniowanie: energia przekazywana przez fale elektromagnetyczne bezpośrednio w wyniku różnicy temperatur

wybrane rozwiązania problemów & ćwiczenia

1., -21,7 kW; należy pamiętać, że odpowiedź negatywna oznacza utratę ciepła do otoczenia.

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) czysty biały obiekt odbija więcej energii promiennej, która uderza w niego, więc biały namiot zapobiegnie więcej światła słonecznego od ogrzewania wnętrza namiotu, a biała tunika zapobiegnie ciepła, które weszło do namiotu od ogrzewania jeźdźca. Dlatego w białym namiocie temperatura byłaby niższa niż 48.,5ºC, a szybkość promieniowania ciepła przekazywanego na jeźdźca byłaby mniejsza niż 20,0 W.

13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) kiedy Wielki meteor uderza w ocean, powoduje on wielkie fale pływowe, rozpraszając dużą ilość swojej energii w postaci energii kinetycznej wody.

15. a) 3,44 × 105 m3 / s; b) odpowiada to 12 milionom stóp sześciennych powietrza na sekundę. To niesamowite. Jest to zbyt duże, aby można je było rozproszyć przez ogrzewanie powietrza tylko o 5ºC. Wiele z tych wież chłodniczych wykorzystuje cyrkulację chłodniejszego powietrza nad cieplejszą wodą, aby zwiększyć szybkość parowania., Umożliwiłoby to znacznie mniejsze ilości powietrza niezbędne do usunięcia tak dużej ilości ciepła, ponieważ odparowanie usuwa większe ilości ciepła niż rozważano w części (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. nie spowoduje to znacznego ochłodzenia powietrza, ponieważ jest ono znacznie mniejsze niż energia znaleziona w części (b), która jest energią potrzebną do ogrzania powietrza od 20,0 ºC do 50,0 ºC.

22. (a) 36ºc; (b) każdy wzrost temperatury większy niż około 3ºC byłby nieracjonalnie duży., W tym przypadku ostateczna temperatura osoby wzrośnie do 73ºC (163ºF); (c) założenie 95% retencji ciepła jest nieuzasadnione.

24. (a) 1,46 kW; (B) bardzo duża strata mocy przez okno. Grzałka elektryczna o tej mocy może utrzymać ciepło w całym pomieszczeniu; (c) temperatura powierzchni okna nie różni się tak dużą ilością, jak zakładano. Wewnętrzna powierzchnia będzie cieplejsza, a zewnętrzna powierzchnia będzie chłodniejsza.