Radiație / fizică

obiective de învățare

până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

discutați transferul de căldură prin radiație.
explicați puterea diferitelor materiale.puteți simți transferul de căldură de la un foc și de la soare. În mod similar, puteți spune uneori că cuptorul este fierbinte fără să atingeți ușa sau să priviți în interior—vă poate încălzi în timp ce treceți. Spațiul dintre Pământ și soare este în mare parte gol, fără posibilitatea transferului de căldură prin convecție sau conducere., În aceste exemple, căldura este transferată prin radiații. Adică, corpul fierbinte emite unde electromagnetice care sunt absorbite de pielea noastră: nu este necesar un mediu pentru propagarea undelor electromagnetice. Diferite denumiri sunt utilizate pentru undele electromagnetice de diferite lungimi de undă: unde radio, microunde, radiații infraroșii, lumină vizibilă, radiații ultraviolete, raze X și raze gamma.

Figura 1. Cea mai mare parte a transferului de căldură de la acest foc către observatori se face prin radiații infraroșii., Lumina vizibilă, deși dramatică, transferă relativ puțină energie termică. Convecția transferă energia de la observatori pe măsură ce aerul cald crește, în timp ce conducerea este neglijabil lentă aici. Pielea este foarte sensibilă la radiațiile infraroșii, astfel încât să puteți simți prezența unui incendiu fără să o priviți direct. (credit: Daniel X. O ‘ Neil)

energia radiației electromagnetice depinde de lungimea de undă (culoarea) și variază într-o gamă largă: o lungime de undă mai mică (sau o frecvență mai mare) corespunde unei energii mai mari., Deoarece mai multă căldură este radiată la temperaturi mai ridicate, o schimbare de temperatură este însoțită de o schimbare de culoare. Luați, de exemplu, un element electric pe o sobă, care strălucește de la roșu la portocaliu, în timp ce oțelul cu temperatură mai ridicată dintr-un furnal strălucește de la galben la alb. Radiația pe care o simțiți este în mare parte infraroșie, ceea ce corespunde unei temperaturi mai scăzute decât cea a elementului electric și a oțelului. Energia radiată depinde de intensitatea acesteia, care este reprezentată în Figura 2 de înălțimea distribuției.,undele electromagnetice explică mai multe despre spectrul electromagnetic și introducerea în fizica cuantică discută modul în care scăderea lungimii de undă corespunde unei creșteri a energiei.

Figura 2. (a) un grafic al spectrelor undelor electromagnetice emise de un radiator ideal la trei temperaturi diferite. Intensitatea sau rata emisiei de radiații crește dramatic odată cu temperatura, iar spectrul se deplasează spre părțile vizibile și ultraviolete ale spectrului., Porțiunea umbrită denotă partea vizibilă a spectrului. Este evident că trecerea spre ultraviolet cu temperatura face ca aspectul vizibil să treacă de la roșu la alb la albastru pe măsură ce temperatura crește. (b) notați variațiile de culoare corespunzătoare variațiilor temperaturii flăcării. (credit: Tuohirulla)
Figura 3. Această ilustrație arată că pavajul mai întunecat este mai fierbinte decât pavajul mai ușor (mult mai multă gheață din dreapta s-a topit), deși ambele au fost în lumina soarelui în același timp., Conductivitatea termică a trotuarelor este aceeași.toate obiectele absorb și emit radiații electromagnetice. Rata transferului de căldură prin radiație este în mare măsură determinată de culoarea obiectului. Negrul este cel mai eficient, iar albul este cel mai puțin eficient. Oamenii care trăiesc în zonele cu climă caldă, în general, evita purtarea de haine negre, de exemplu (a se vedea Take-Home Experiment: temperatura la soare). În mod similar, asfaltul negru într-o parcare va fi mai fierbinte decât trotuarul gri adiacent într-o zi de vară, deoarece negrul absoarbe mai bine decât griul., Reversul este, de asemenea, adevărat—negrul radiază mai bine decât gri. Astfel, într-o noapte clară de vară, asfaltul va fi mai rece decât trotuarul gri, deoarece negrul radiază energia mai rapid decât griul. Un radiator ideal are aceeași culoare ca un absorbant ideal și captează toate radiațiile care cad pe el. În schimb, albul este un absorbant slab și este, de asemenea, un radiator slab. Un obiect alb reflectă toată radiația, ca o oglindă. (O suprafață albă perfectă, lustruită, are aspect de oglindă, iar o oglindă zdrobită arată albă.,obiectele Gri au o capacitate uniformă de a absorbi toate părțile spectrului electromagnetic. Obiectele colorate se comportă în moduri similare, dar mai complexe, ceea ce le conferă o anumită culoare în intervalul vizibil și le poate face speciale în alte intervale ale spectrului nevizibil. Luați, de exemplu, absorbția puternică a radiațiilor infraroșii de către piele, ceea ce ne permite să fim foarte sensibili la aceasta.

Figura 4. Un obiect negru este un bun absorbant și un radiator bun, în timp ce un obiect alb (sau argintiu) este un absorbant slab și un radiator slab., Este ca și cum radiația din interior este reflectată înapoi în obiectul de argint, în timp ce radiația din interiorul obiectului negru este „absorbită” atunci când atinge suprafața și se află în exterior și este puternic emisă.

rata de transfer de căldură prin radiație emisă este determinată de Stefan-Boltzmann legea de radiații:

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

în cazul în care σ = 5.67 × 10-8 J/s · m2 · K4 este Stefan-Boltzmann constanta, A este suprafața obiectului, și T este temperatura absolută în grade kelvin., Simbolul e reprezintă emisivitatea obiectului, care este o măsură a cât de bine radiază. Un radiator ideal jet-negru (sau corp negru) are e = 1, în timp ce un reflector perfect are e = 0. Obiectele reale se încadrează între aceste două valori. Luați, de exemplu, filamente de becuri de tungsten care au un e de aproximativ 0,5 și negru de fum (un material utilizat în tonerul imprimantei), care are emisivitatea (cea mai cunoscută) de aproximativ 0,99.rata de radiație este direct proporțională cu a patra putere a temperaturii absolute—o dependență de temperatură remarcabil de puternică., Mai mult, căldura radiată este proporțională cu suprafața obiectului. Dacă distrugeți cărbunele unui incendiu, există o creștere vizibilă a radiațiilor datorită creșterii suprafeței radiante.
Figura 5. Un termograf al unei părți a unei clădiri prezintă variații de temperatură, indicând unde transferul de căldură către exterior este cel mai sever. Ferestrele sunt o regiune majoră de transfer de căldură în afara caselor. (credit: S. U. A., Pielea este un absorbant remarcabil de bun și emițător de radiații infraroșii, având o emisivitate de 0,97 în spectrul infraroșu. Astfel, suntem cu toții aproape (jet) negru în infraroșu, în ciuda variațiilor evidente ale culorii pielii. Această emisivitate ridicată în infraroșu este motivul pentru care putem simți atât de ușor radiațiile pe pielea noastră. Este, de asemenea, baza pentru utilizarea scopurilor de noapte folosite de forțele de ordine și de militari pentru a detecta ființele umane. Chiar și mici variații de temperatură pot fi detectate din cauza dependenței T4., Imaginile, numite termografii, pot fi utilizate medical pentru a detecta regiuni cu temperaturi anormal de ridicate în organism, probabil indicative ale bolii. Tehnici similare pot fi utilizate pentru a detecta scurgerile de căldură în case Figura 5, pentru a optimiza performanța furnalelor, pentru a îmbunătăți nivelurile de confort în mediile de lucru și chiar pentru a cartografia de la distanță profilul de temperatură al Pământului.toate obiectele emit și absorb radiații. Rata netă de transfer de căldură prin radiație (absorbție minus emisie) este legată atât de temperatura obiectului, cât și de temperatura împrejurimilor sale., Presupunând că un obiect cu o temperatură T1 este înconjurat de un mediu cu temperatură uniformă T2, rata netă de transfer de căldură prin radiație este

\displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}{t}=\sigma{e}^\left(T^4_2-T^4_1\right)\\,
Ia-Acasă Experiment: Temperatura la Soare

Loc un termometru în soare și un scut de lumina directă a soarelui, folosind o folie de aluminiu. Care este lectura? Acum scoateți scutul și notați ce citește termometrul., Luați o batistă înmuiată în îndepărtarea lacurilor de unghii, înfășurați-o în jurul termometrului și așezați-o la soare. Ce citește termometrul?pământul primește aproape toată energia sa din radiația soarelui și reflectă o parte din ea înapoi în spațiul cosmic. Deoarece soarele este mai fierbinte decât Pământul, fluxul net de energie este de la soare la pământ. Cu toate acestea, rata de transfer de energie este mai mică decât ecuația pentru transferul de căldură radiativă ar prezice, deoarece soarele nu umple cerul. Emisivitatea medie (e) a Pământului este de aproximativ 0.,65, dar calculul acestei valori este complicată de faptul că acoperirea nor extrem de reflectorizant variază foarte mult de la o zi la alta. Există un feedback negativ (unul în care o schimbare produce un efect care se opune acestei schimbări) între nori și transferul de căldură; temperaturile mai mari evaporă mai multă apă pentru a forma mai mulți nori, care reflectă mai multă radiație înapoi în spațiu, reducând temperatura. Efectul de seră adesea menționat este direct legat de variația emisivității Pământului cu tipul de radiație (vezi Figura 6)., Efectul de seră este un fenomen natural responsabil pentru furnizarea de temperaturi potrivite pentru viața pe Pământ. Temperatura relativ constantă a Pământului este un rezultat al echilibrului energetic dintre radiația solară de intrare și energia radiată de pe Pământ. Cea mai mare parte a radiației infraroșii emise de pământ este absorbită de dioxidul de carbon (CO2) și apa (H2O) din atmosferă și apoi re-radiată înapoi pe pământ sau în spațiul cosmic., Re-radiația înapoi pe pământ își menține temperatura suprafeței cu aproximativ 40ºC mai mare decât ar fi dacă nu ar exista atmosferă, similar cu modul în care sticla crește temperaturile într-o seră.
Figura 6. Efectul de seră este un nume dat captării energiei în atmosfera pământului printr-un proces similar cu cel utilizat în sere. Atmosfera, ca și geamul ferestrei, este transparentă pentru radiațiile vizibile primite și cea mai mare parte a infraroșului soarelui. Aceste lungimi de undă sunt absorbite de pământ și re-emise ca infraroșu., Deoarece temperatura Pământului este mult mai scăzută decât cea a soarelui, infraroșu radiat de pământ are o lungime de undă mult mai lungă. Atmosfera, ca și sticla, captează aceste raze infraroșii mai lungi, menținând pământul mai cald decât ar fi altfel. Cantitatea de captare depinde de concentrațiile de gaze urme cum ar fi dioxidul de carbon, și o schimbare în concentrația acestor gaze se crede că afectează temperatura suprafeței Pământului.,efectul de seră este, de asemenea, esențial pentru discuția despre încălzirea globală datorată emisiilor de dioxid de carbon și metan (și alte așa-numite gaze cu efect de seră) în atmosfera Pământului din producția industrială și din agricultură. Schimbările climatice globale ar putea duce la furtuni mai intense, schimbări de precipitații (care afectează agricultura), reducerea biodiversității pădurilor tropicale și creșterea nivelului mării.

Figura 7., Acest aragaz solar simplu, dar eficient, folosește efectul de seră și materialul reflectorizant pentru a prinde și reține energia solară. Fabricat din materiale ieftine și durabile, economisește bani și forță de muncă și are o valoare economică deosebită în țările în curs de dezvoltare sărace din punct de vedere energetic. (credit: E. B. Kauai)

încălzirea și răcirea contribuie adesea semnificativ la utilizarea energiei în casele individuale., Eforturile actuale de cercetare în dezvoltarea de case ecologice se concentrează destul de des pe reducerea încălzirii și răcirii convenționale prin materiale de construcție mai bune, poziționarea strategică a ferestrelor pentru a optimiza câștigul de radiații de la soare și deschiderea spațiilor pentru a permite convecția. Este posibil să se construiască o casă cu energie zero, care să permită o viață confortabilă în majoritatea părților din Statele Unite, cu veri calde și umede și ierni reci.în schimb, spațiul întunecat este foarte rece, aproximativ 3K (−454ºF), astfel încât pământul radiază energie în cerul întunecat., Datorită faptului că norii au emisivitate mai scăzută decât oceanele sau masele terestre, ei reflectă o parte din radiație înapoi la suprafață, reducând foarte mult transferul de căldură în spațiul întunecat, la fel cum reduc foarte mult transferul de căldură în atmosferă în timpul zilei. Rata transferului de căldură din sol și ierburi poate fi atât de rapidă încât înghețul poate apărea în serile clare de vară, chiar și în latitudini calde.

verificați-vă înțelegerea

care este modificarea ratei căldurii radiate de către un corp la temperatura T1 = 20ºC comparativ cu atunci când corpul este la temperatura T2 = 40ºC?,

soluție

căldura radiată este proporțională cu a patra putere a temperaturii absolute. Deoarece T1 = 293 K și T2 = 313 K, rata de transfer de căldură crește cu aproximativ 30% din rata inițială.

conexiune la carieră: consultare privind conservarea energiei

costul energiei este, în general, considerat a rămâne foarte ridicat pentru viitorul previzibil. Astfel, controlul pasiv al pierderilor de căldură atât în locuințele comerciale, cât și în cele casnice va deveni din ce în ce mai important., Consultanții în domeniul energiei măsoară și analizează fluxul de energie în și din case și se asigură că un schimb sănătos de aer este menținut în interiorul casei. Perspectivele de angajare pentru un consultant energetic sunt puternice.

strategii de rezolvare a problemelor pentru metodele de Transfer de căldură

examinați situația pentru a determina ce tip de transfer de căldură este implicat.

identificați tipul(tipurile) de transfer de căldură—conducere, convecție sau radiație.

identificați exact ceea ce trebuie determinat în problemă (identificați necunoscutele). O listă scrisă este foarte utilă.,

faceți o listă a ceea ce este dat sau poate fi dedus din problemă așa cum este menționat (identificați cunoștințele).

rezolvați ecuația corespunzătoare pentru cantitatea care urmează să fie determinată (necunoscutul).

Pentru conducție, ecuația \displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\ este necesar. Tabelul 1 din listele de conducere conductivități termice. Pentru convecție, determinați cantitatea de materie deplasată și utilizați ecuația Q = mcΔT, pentru a calcula transferul de căldură implicat în schimbarea temperaturii fluidului., Dacă o schimbare de fază însoțește convecția, ecuația Q = mLf sau Q = mLv este adecvată pentru a găsi transferul de căldură implicat în schimbarea de fază. Tabelul 1 în schimbarea de fază și căldura latentă enumeră informațiile relevante pentru schimbarea de fază. Pentru radiații, ecuația \displaystyle\frac{Q_{\text{net}}}{t}=\sigma{e}O\left(T^4_2-T^4_1\right)\\ dă net rata de transfer de căldură.

introduceți cunoștințele împreună cu unitățile lor în ecuația corespunzătoare și obțineți soluții numerice complete cu unități.

verificați răspunsul pentru a vedea dacă este rezonabil. Are sens?,

Rezumatul secțiunii

întrebări conceptuale

când vizionați un circ în timpul zilei într-un cort mare, de culoare închisă, simțiți un transfer semnificativ de căldură din cort. Explicați de ce se întâmplă acest lucru.

sateliții concepuți pentru a observa radiația din spațiul rece (3 K) întunecat au senzori care sunt umbriți de Soare, Pământ și Lună și care sunt răciți la temperaturi foarte scăzute. De ce senzorii trebuie să fie la temperatură scăzută?

De ce nopțile înnorate sunt în general mai calde decât cele limpezi?,

De ce sunt termometrele utilizate în stațiile meteorologice protejate de soare? Ce măsoară un termometru dacă este protejat de soare și, de asemenea, dacă nu este?

în medie, Pământul ar fi mai cald sau mai rece fără atmosferă? Explică-ți răspunsul.

Probleme & Exerciții

La ce net rata de căldură nu radia de la o 275 m2 acoperis negru într-o noapte când acoperișul temperatura este 30.0 ° C și temperatura ambientală este de 15.0 ° C? Emisivitatea acoperișului este de 0,900.,

(a) jăratic roșu-cireș într-un șemineu sunt la 850ºC și au o suprafață expusă de 0.200 m2 și o emisivitate de 0.980. Camera din jur are o temperatură de 18,0 ºC. Dacă 50% din energia radiantă intră în cameră, care este rata netă de transfer de căldură radiantă în kilowați? (b) răspunsul dvs. susține afirmația că cea mai mare parte a transferului de căldură într-o cameră lângă șemineu provine din radiații infraroșii?

radiația face imposibilă să stea aproape de un flux de lavă fierbinte. Calculați rata transferului de căldură prin radiație de la 1, 00 m2 de lavă proaspătă de 1200ºc în 30.,0ºC împrejurimi, presupunând că emisivitatea lavei este 1.00.

(a) calculați rata de transfer de căldură prin radiație de la un radiator auto la 110ºc într-un mediu de 50,0 ºC, dacă radiatorul are o emisivitate de 0,750 și o suprafață de 1,20 m2. (b) este aceasta o parte semnificativă a transferului de căldură de către un motor auto? Pentru a răspunde la acest lucru, să presupunem o putere de 200 CP(1,5 kW) și eficiența motoarelor auto ca 25%.

găsiți rata netă de transfer de căldură prin radiații de la un schior care stă la umbră, având în vedere următoarele., Este complet îmbrăcată în alb (cap până în picioare, inclusiv o mască de schi), hainele au o emisivitate de 0.200 și o temperatură a suprafeței de 10.0 ºC, împrejurimile sunt la−15.0 ºC, iar suprafața ei este de 1.60 m2.

Să presupunem că intri într-o saună care are o temperatură ambiantă de 50,0 ºC. (a) calculați rata de transfer de căldură către dvs. prin radiații, având în vedere că temperatura pielii dvs. este de 37,0 ºC, emisivitatea pielii este de 0,98, iar suprafața corpului dvs. este de 1,50 m2., (b) dacă toate celelalte forme de transfer de căldură sunt echilibrate (transferul net de căldură este zero), cu ce rată va crește temperatura corpului dvs. dacă masa dvs. este de 75, 0 kg?

termografia este o tehnică pentru măsurarea căldurii radiante și detectarea variațiilor temperaturilor de suprafață care pot fi semnificative din punct de vedere medical, ecologic sau militar.a) care este creșterea procentuală a ratei de transfer de căldură prin radiație dintr-o anumită zonă la o temperatură de 34,0 ºC în comparație cu cea de 33,0 ºC, cum ar fi pe pielea unei persoane?, (b) care este creșterea procentuală a ratei de transfer de căldură prin radiație dintr-o anumită zonă la o temperatură de 34,0 ºC comparativ cu cea la 20,0 ºC, cum ar fi pentru hotele de automobile calde și reci?

Figura 8. Artist de predare a unui termograf al corpului superior al unui pacient, care arată distribuția căldurii reprezentate de culori diferite.

soarele radiază ca un corp negru perfect, cu o emisivitate de exact 1. (a) calculați temperatura suprafeței Soarelui, având în vedere că este o sferă cu un 7.,00 × 108-m Raza care radiază 3.80 × 1026 W în 3-K spațiu. b) câtă putere radiază Soarele pe metru pătrat de suprafață? (c) cât de multă putere în wați pe metru pătrat este această valoare la distanța de pământ, 1.50 × 1011 m distanță? (Acest număr se numește Constanta solară.)

un corp mare de lavă dintr-un vulcan a încetat să curgă și se răcește încet. Interiorul lavei este la 1200ºc, suprafața sa este la 450ºc, iar împrejurimile sunt la 27,0 ºC. (a) calculați rata la care energia este transferată prin radiație de la 1.,00 m2 de lavă de suprafață în împrejurimi, presupunând că emisivitatea este 1.00. (b) Să presupunem că conducta de căldură la suprafață are loc în același ritm. Care este grosimea lavei între suprafața de 450ºC și interiorul de 1200ºc, presupunând că conductivitatea lavei este aceeași cu cea a cărămizii?

calculați temperatura pe care ar trebui să o aibă întregul cer pentru a transfera energia prin radiație la 1000 W/m2—aproximativ rata la care soarele radiază atunci când este direct deasupra capului într-o zi senină., Această valoare este temperatura efectivă a cerului, un fel de medie care ține cont de faptul că Soarele ocupă doar o mică parte a cerului, dar este mult mai fierbinte decât restul. Să presupunem că organismul care primește energia are o temperatură de 27,0 ºC.

(a) un călăreț fără cămașă sub un cort de circ simte căldura care radiază din partea luminată de soare a cortului. Calculați temperatura pânzei cortului pe baza următoarelor informații: temperatura pielii călărețului fără cămașă este de 34, 0 ºC și are o emisivitate de 0, 970. Suprafața expusă a pielii este de 0,400 m2., El primește radiații la o rată de 20,0 W—jumătate din ceea ce ați calcula dacă întreaga regiune din spatele lui ar fi fierbinte. Restul împrejurimilor sunt la 34,0 ºC. (b) discutați cum s-ar schimba această situație dacă partea luminată de soare a cortului ar fi aproape albă pură și dacă călărețul ar fi acoperit de o tunică albă.

concepte integrate. O zi de 30,0 ºC umiditatea relativă este de 75,0%, iar seara temperatura scade la 20,0 ºC, mult sub punctul de rouă. a) câte grame de apă condensează din fiecare metru cub de aer? (B) cât de mult se produce transferul de căldură prin această condensare?, c) CE creștere a temperaturii ar putea cauza aceasta în aerul uscat?

concepte integrate. Meteorii mari lovesc uneori Pământul, transformând cea mai mare parte a energiei lor cinetice în energie termică. a) care este energia cinetică a unui meteor de 109 kg care se deplasează cu 25,0 km/s? (b) dacă acest meteor aterizează într-un ocean adânc și 80% din energia sa cinetică se duce în apa de încălzire, câte kilograme de apă ar putea ridica cu 5,0 ºC? (c) discutați despre modul în care energia meteorului este mai probabil să fie depozitată în ocean și despre efectele probabile ale acestei energii.

concepte integrate., Deșeurile înghețate din toaletele avioanelor au fost uneori evacuate accidental la altitudine mare. În mod obișnuit se rupe și se dispersează pe o suprafață mare, dar uneori se ține împreună și lovește pământul. Calculați masa de 0ºC de gheață, care poate fi topit de conversie de cinetică și energie potențială gravitațională atunci când un 20,0 kg bucata de pierdere congelate este lansat la 12,0 km altitudine în timp ce se deplasează la 250 m/s și greve de teren la 100 m/s (din mai mult de 20,0 kg se topește, o mare mizerie rezultate).

concepte integrate., (a) o instalație mare de energie electrică produce 1600 MW de „căldură reziduală”, care este disipată în mediul înconjurător în turnurile de răcire prin încălzirea aerului care curge prin turnuri cu 5,00 ºC. Care este debitul necesar de aer în m3/s? (b) rezultatul dvs. este în concordanță cu turnurile de răcire mari utilizate de multe centrale electrice mari?

concepte integrate. (a) Să presupunem că începeți un antrenament pe un Stairmaster, producând energie în același ritm cu urcarea a 116 scări pe minut. Presupunând că masa dvs. este de 76,0 kg și eficiența dvs. este de 20.,0%, cât timp va dura pentru ca temperatura corpului să crească 1.00 ºC dacă toate celelalte forme de transfer de căldură în și din corpul tău sunt echilibrate? b) este aceasta în concordanță cu experiența dvs. de a vă încălzi în timp ce faceți exerciții fizice?

concepte integrate. O persoană de 76,0 kg care suferă de hipotermie vine în interior și tremură puternic. Cât durează transferul de căldură pentru a crește temperatura corpului persoanei cu 2, 00 ºC dacă toate celelalte forme de transfer de căldură sunt echilibrate?

concepte integrate. În anumite regiuni geografice mari, roca de bază este fierbinte., Puturi pot fi forate și apă circulat prin roca pentru transferul de căldură pentru generarea de energie electrică. (a) calculați transferul de căldură care poate fi extras prin răcirea a 1,00 km3 de granit cu 100ºC. (B) cât timp va dura transferul de căldură la o rată de 300 MW, presupunând că nu se va transfera căldură înapoi în 1.00km3 de rocă în împrejurimile sale?

concepte integrate. Transferurile de căldură din plămâni și pasaje de respirație prin evaporarea apei. (a) calculați numărul maxim de grame de apă care poate fi evaporat atunci când inhalați 1.,50 l de aer 37ºC cu o umiditate relativă originală de 40,0%. (Să presupunem că temperatura corpului este, de asemenea, 37ºC.) (B) câte jouli de energie sunt necesare pentru a evapora această cantitate? (c) care este rata de transfer de căldură în wați din această metodă, dacă respirați cu o rată normală de repaus de 10,0 respirații pe minut?

concepte integrate. (a) care este creșterea temperaturii apei care cade cu 55,0 m peste Cascada Niagara? b) ce fracțiune trebuie să se evapore pentru a menține temperatura constantă?

concepte integrate. Aerul cald se ridică deoarece sa extins., Apoi deplasează un volum mai mare de aer rece, ceea ce mărește forța flotantă asupra acestuia. (a) calculați raportul dintre forța flotantă și greutatea aerului de 50,0 ºC înconjurat de aer de 20,0 ºC. (b) ce energie este necesară pentru a determina trecerea a 1,00 m3 de aer de la 20,0 ºC la 50,0 ºC? (c) CE energie potențială gravitațională este câștigată de acest volum de aer dacă crește cu 1,00 m? Aceasta va provoca o răcire semnificativă a aerului?

rezultate nerezonabile. (a) care este creșterea temperaturii unei persoane de 80,0 kg care consumă 2500 kcal de alimente într-o singură zi, cu 95,0% din energia transferată ca căldură în organism?, b) ce este nerezonabil cu privire la acest rezultat? (c) care premisă sau presupunere este responsabilă?

rezultate nerezonabile. Un ușor deranjat Arctic inventator înconjurat de gheață crede că ar fi mult mai puțin mecanic complex să se răcească un motor de masina de topire a gheții pe ea decât de a avea o răcit cu apă sistem cu un radiator, pompa de apa, antigel, și așa mai departe. (a) în Cazul în 80.0% din energia 1.00 fata de benzina este transformată în „căldură reziduală” într-un motor de mașină, cât de multe kilograme de 0ºC de gheață ar putea topi? (b) este aceasta o cantitate rezonabilă de gheață pentru a transporta în jurul să se răcească motorul pentru 1.,00 gal de consum de benzină? c) CE premise sau presupuneri sunt nerezonabile?

rezultate nerezonabile. (a) calculați rata de transfer de căldură prin conducție printr-o fereastră cu o suprafață de 1,00 m2 care este de 0,750 cm grosime, dacă suprafața sa interioară este la 22,0 ºC și suprafața sa exterioară este la 35,0 ºC. b) ce este nerezonabil cu privire la acest rezultat? (c) care premisă sau presupunere este responsabilă?

rezultate nerezonabile. Un meteorit cu diametrul de 1, 20 cm este atât de fierbinte imediat după penetrarea atmosferei încât radiază 20, 0 kW de putere., (a) care este temperatura sa, dacă împrejurimile sunt la 20,0 ºC și are o emisivitate de 0,800? b) ce este nerezonabil cu privire la acest rezultat? (c) care premisă sau presupunere este responsabilă?

construi propria problemă. Luați în considerare un nou model de avion comercial care are frânele testate ca parte a procedurii inițiale de permisiune de zbor. Avionul este adus la viteza de decolare și apoi oprit doar cu frânele. Construiți o problemă în care calculați creșterea temperaturii frânelor în timpul acestui proces., Puteți presupune că cea mai mare parte a energiei cinetice a avionului este transformată în energie termică în frâne și în materialele din jur, iar acel mic scapă. Rețineți că frânele sunt de așteptat să devină atât de fierbinți în această procedură încât se aprind și, pentru a trece testul, avionul trebuie să poată rezista focului de ceva timp fără o conflagrație generală.

construi propria problemă. Luați în considerare o persoană în aer liber într-o noapte rece. Construiți o problemă în care calculați rata transferului de căldură de la persoană prin toate cele trei metode de transfer de căldură., Faceți circumstanțele inițiale astfel încât, în repaus, persoana să aibă un transfer de căldură net și apoi să decidă cât de multă activitate fizică de un tip ales este necesară pentru a echilibra rata transferului de căldură. Printre lucrurile să ia în considerare sunt dimensiunea persoanei, tipul de îmbrăcăminte, rata metabolică inițială, condițiile de cer, cantitatea de apă evaporată, și volumul de aer respirat. Desigur, există mulți alți factori de luat în considerare și instructorul dvs. ar putea dori să vă ghideze în ipotezele făcute, precum și detaliile analizei și metodei de prezentare a rezultatelor.,
efect de seră: încălzirea Pământului, care se datorează gaze precum dioxidul de carbon și metan, care absorb radiațiile infraroșii de la suprafața Pământului și de a radia din nou în toate direcțiile, trimițând astfel o fracțiune din înapoi spre suprafața Pământului

net rata de transfer de căldură prin radiație: e \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left({T}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\dreapta)\\

radiații: energia transferată de către undele electromagnetice direct ca rezultat o diferență de temperatură

Selectat Soluții la Problemele & Exerciții

1., -21,7 kW; rețineți că răspunsul negativ implică pierderi de căldură în împrejurimi.

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 obiect alb pur reflectă mai multă energie radiantă care îl lovește, astfel încât un cort alb ar împiedica mai multă lumină solară să încălzească interiorul cortului, iar tunica albă ar împiedica căldura care a intrat în cort să încălzească călărețul. Prin urmare, cu un cort alb, temperatura ar fi mai mică de 48.,5ºC, iar rata de căldură radiantă transferată călărețului ar fi mai mică de 20,0 W.

13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) când un meteorit mare lovește Oceanul, provoacă valuri mari de maree, disipând o cantitate mare de energie sub formă de energie cinetică a apei.

15. (a) 3,44 × 105 m3/s; (b) acest lucru este echivalent cu 12 milioane de metri cubi de aer pe secundă. Asta e extraordinar. Acest lucru este prea mare pentru a fi disipat prin încălzirea aerului cu doar 5ºC. Multe dintre aceste turnuri de răcire utilizează circulația aerului mai rece peste apa mai caldă pentru a crește rata de evaporare., Acest lucru ar permite cantități mult mai mici de aer necesare pentru a elimina o cantitate atât de mare de căldură, deoarece evaporarea elimină cantități mai mari de căldură decât a fost considerată în partea (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. Acest lucru nu va provoca o răcire semnificativă a aerului, deoarece este mult mai mică decât energia găsită în partea (b), care este energia necesară pentru încălzirea aerului de la 20.0 ºC la 50.0 ºC.

22. (a) 36ºc; (b) orice creștere a temperaturii mai mare de aproximativ 3ºC ar fi nejustificat de mare., În acest caz, temperatura finală a persoanei s-ar ridica la 73ºC(163ºf); (c) ipoteza retenției de căldură de 95% este nerezonabilă.

24. (a) 1,46 kW; (b) pierdere de putere foarte mare printr-o fereastră. Un încălzitor electric de această putere poate menține o cameră întreagă caldă; (c) Temperaturile de suprafață ale ferestrei nu diferă cu o cantitate atât de mare pe cât se presupune. Suprafața interioară va fi mai caldă, iar suprafața exterioară va fi mai rece.

Articles