fysik (Svenska)

inlärningsmål

i slutet av detta avsnitt kommer du att kunna:

• diskutera värmeöverföring genom strålning.
• förklara kraften i olika material.

Figur 1. Det mesta av värmeöverföringen från denna eld till observatörerna är genom infraröd strålning., Det synliga ljuset, även om det är dramatiskt, överför relativt lite värmeenergi. Konvektion överför energi bort från observatörerna som varmluft stiger, medan ledningen är försumbart långsam här. Hud är mycket känslig för infraröd strålning, så att du kan känna närvaron av en eld utan att titta på den direkt. (credit: Daniel X. O ’ Neil)

Figur 2. A) ett diagram över spektra av elektromagnetiska vågor som avges från en idealisk radiator vid tre olika temperaturer. Intensiteten eller hastigheten för strålningsutsläpp ökar dramatiskt med temperaturen, och spektrumet skiftar mot de synliga och ultravioletta delarna av spektrumet., Den skuggade delen betecknar den synliga delen av spektrumet. Det är uppenbart att förskjutningen mot ultraviolett med temperatur gör det synliga utseendet skiftar från rött till vitt till blått när temperaturen ökar. B) notera de färgvariationer som motsvarar variationer i flamens temperatur. (credit: Tuohirulla)

Figur 3. Denna illustration visar att den mörkare trottoaren är varmare än den lättare trottoaren (mycket mer av isen till höger har smält), även om båda har varit i solljuset samtidigt., Trottoarnas termiska ledningsförmåga är desamma.

Figur 4. Ett svart föremål är en bra absorber och en bra radiator, medan ett vitt (eller silver) föremål är en dålig absorber och en dålig radiator., Det är som om strålning från insidan reflekteras tillbaka i silverobjektet, medan strålning från insidan av det svarta objektet ”absorberas” när det träffar ytan och befinner sig på utsidan och avges starkt.

Figur 5. En termograf i en del av en byggnad visar temperaturvariationer, vilket indikerar var värmeöverföring till utsidan är mest allvarlig. Windows är en stor region av värmeöverföring till utsidan av bostäder. (kredit: US.,

Take-Home Experiment: temperatur i solen

placera en termometer i solskenet och skydda den från direkt solljus med hjälp av en aluminiumfolie. Vad är läsningen? Ta nu bort skölden och notera vad termometern läser., Ta en näsduk blöt i nagellackfjernare, linda den runt termometern och placera den i solskenet. Vad läser termometern?

Figur 6. Växthuseffekten är ett namn som ges till fångst av energi i jordens atmosfär genom en process som liknar den som används i växthus. Atmosfären, som fönsterglas, är transparent för inkommande synlig strålning och det mesta av solens infraröda. Dessa våglängder absorberas av jorden och åter emitteras som infraröd., Eftersom jordens temperatur är mycket lägre än solens, har den infraröda som utstrålas av jorden en mycket längre våglängd. Atmosfären, som glas, fångar dessa längre infraröda strålar och håller jorden varmare än den annars skulle vara. Mängden fångst beror på koncentrationer av spårgaser som koldioxid, och en förändring i koncentrationen av dessa gaser tros påverka jordens yttemperatur.,

Figur 7., Denna enkla men effektiva Sol spis använder växthuseffekten och reflekterande material för att fälla och behålla solenergi. Tillverkad av billiga, hållbara material, sparar pengar och arbetskraft, och är av särskilt ekonomiskt värde i energifattiga utvecklingsländer. (kredit: E. B. Kauai)

kontrollera din förståelse

vad är förändringen i graden av den utstrålade värmen av en kropp vid temperaturen T1 = 20ºC jämfört med när kroppen är vid temperaturen T2 = 40ºC?,

lösning

den utstrålade värmen är proportionell mot den fjärde effekten av den absoluta temperaturen. Eftersom T1 = 293 K och T2 = 313 K ökar värmeöverföringshastigheten med cirka 30 procent av den ursprungliga hastigheten.

Karriäranslutning: samråd om energibesparing

energikostnaden tros allmänt förbli mycket hög under överskådlig framtid. Således blir passiv kontroll av värmeförlust i både kommersiella och inhemska bostäder allt viktigare., Energikonsulter mäter och analyserar flödet av energi in i och ut ur hus och ser till att ett hälsosamt utbyte av luft upprätthålls inuti huset. Arbetsutsikterna för en energikonsult är starka.

problemlösningsstrategier för metoderna för värmeöverföring

1. undersöka situationen för att bestämma vilken typ av värmeöverföring som är inblandad.
2. identifiera typen av värmeöverföring—ledning, konvektion eller strålning.
3. identifiera exakt vad som behöver bestämmas i problemet (identifiera de okända). En skriftlig lista är mycket användbar.,
4. gör en lista över vad som ges eller kan härledas från problemet som anges (identifiera knowns).
5. Lös lämplig ekvation för den mängd som ska bestämmas (det okända).
6. för ledning, ekvation \displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(t_2-t_1\right)}{d}\\ är lämplig. Tabell 1 i överledning listar termiska ledare. För konvektion, bestämma mängden materia flyttas och använda ekvation Q = mcΔT, för att beräkna värmeöverföringen involverade i temperaturförändringen av vätskan., Om en fasförändring åtföljer konvektion är ekvation Q = mLf eller Q = mLv lämplig för att hitta den värmeöverföring som är involverad i fasförändringen. Tabell 1 i fasförändring och Latent värme listar information som är relevant för fasförändring. För strålning, ekvation \ displaystyle \ frac{Q_ {\text{net}}} {t}= \ sigma{e}a\left(t^4_2-t^4_1\ right) \ \ ger netto värmeöverföringshastigheten.
7. sätt in knownerna tillsammans med sina enheter i lämplig ekvation och få numeriska lösningar komplett med enheter.
8. kontrollera svaret för att se om det är rimligt. Är det vettigt?,

konceptuella frågor

1. när du tittar på en dagtid cirkus i en stor, mörkfärgad tält, du känner betydande värmeöverföring från tältet. Förklara varför detta inträffar.
2. satelliter utformade för att observera strålningen från kallt (3 K) mörkt utrymme har sensorer som är skuggade från solen, jorden och månen och som kyls till mycket låga temperaturer. Varför måste sensorerna vara vid låg temperatur?
3. Varför är molniga nätter i allmänhet varmare än klara?,
4. Varför är termometrar som används i väderstationer skyddade från solskenet? Vad mäter en termometer om den är avskärmad från solskenet och även om det inte är det?
5. i genomsnitt skulle jorden vara varmare eller svalare utan atmosfären? Förklara ditt svar.

problem& övningar

1. vid vilken nettohastighet utstrålar värme från ett 275 m2 Svart tak på en natt när takets temperatur är 30,0 ºC och den omgivande temperaturen är 15,0 ºC? Takets emissivitet är 0,900.,
2. (a) körsbärsröda glöd i en öppen spis är vid 850ºC och har en exponerad yta på 0.200 m2 och en emissivitet på 0.980. Det omgivande rummet har en temperatur på 18,0 ºC. Om 50% av strålningsenergin kommer in i rummet, Vad är nettohastigheten för strålningsvärmeöverföring i kilowatt? (B) stöder ert svar påståendet att det mesta av värmeöverföringen till ett rum vid en öppen spis kommer från infraröd strålning?
3. strålning gör det omöjligt att stå nära ett varmt lavaflöde. Beräkna värmeöverföringshastigheten genom strålning från 1,00 m2 av 1200ºC färsk lava till 30.,0ºC omgivningar, förutsatt att lavas emissivitet är 1,00.
4. (a) beräkna värmeöverföringshastigheten genom strålning från en bilradiator vid 110ºC till en 50,0 ºC-miljö, om radiatorn har en emissivitet på 0,750 och en 1.20-m2 Yta. b) är detta en betydande del av värmeöverföringen från en bilmotor? För att svara på detta, anta en hästkrafter på 200 hk (1,5 kW) och effektiviteten hos bilmotorer som 25%.
5. hitta nettohastigheten för värmeöverföring genom strålning från en skidåkare som står i skuggan, med tanke på följande., Hon är helt klädd i vitt (huvud till fot, inklusive en skidmask), kläderna har en emissivitet på 0.200 och en yttemperatur på 10.0 ºC, omgivningen är vid−15.0 ºC, och hennes yta är 1.60 m2.
6. Antag att du går in i en bastu som har en omgivningstemperatur på 50,0 ºC. (A) beräkna värmeöverföringshastigheten till dig genom strålning med tanke på att din hudtemperatur är 37.0 ºC, hudens emissivitet är 0.98 och kroppens yta är 1.50 m2., (B) om alla andra former av värmeöverföring är balanserade (nettovärmeöverföringen är noll), i vilken takt kommer din kroppstemperatur att öka om din massa är 75,0 kg?
7. termografi är en teknik för mätning av strålningsvärme och detektering av variationer i yttemperaturer som kan vara medicinskt, miljömässigt eller militärt meningsfulla.(A) Vad är den procentuella ökningen av värmeöverföringshastigheten genom strålning från ett givet område vid en temperatur av 34,0 ºC jämfört med den vid 33,0 ºC, till exempel på en persons hud?, b) Vad är den procentuella ökningen av värmeöverföringshastigheten genom strålning från ett givet område vid en temperatur av 34,0 ºC jämfört med den vid 20,0 ºC, såsom för varma och svala bilhuvar?
   

   figur 8. Konstnärs överlämnande av en termografi av en patients överkropp, som visar fördelningen av värme som representeras av olika färger.

8. solen strålar ut som en perfekt svart kropp med en emissivitet på exakt 1. (A) beräkna solens yttemperatur, med tanke på att det är en sfär med en 7.,00 × 108 m radie som utstrålar 3.80 × 1026 W i 3-K utrymme. b)hur mycket ström utstrålar solen per kvadratmeter av dess yta? (c) hur mycket effekt i watt per kvadratmeter är det värdet på jordens avstånd, 1.50 × 1011 m bort? (Detta nummer kallas solkonstanten.)
9. en stor lava från en vulkan har slutat flöda och kyler långsamt. Det inre av lavan är vid 1200ºC, dess yta är vid 450ºC, och omgivningen är vid 27.0 ºC. A) beräkna den hastighet med vilken energi överförs genom strålning från 1.,00 m2 Yta lava in i omgivningen, förutsatt att emissiviteten är 1,00. B) anta att värmeledningen till ytan sker i samma takt. Vad är tjockleken på lavan mellan 450ºC-ytan och 1200ºC-interiören, förutsatt att lavas ledningsförmåga är densamma som för tegelsten?
10. beräkna temperaturen hela himlen skulle behöva vara för att överföra energi genom strålning vid 1000 W / m2-om den hastighet med vilken solen strålar när den är direkt overhead på en klar dag., Detta värde är den effektiva temperaturen på himlen, ett slags genomsnitt som tar hänsyn till det faktum att solen upptar endast en liten del av himlen men är mycket varmare än resten. Antag att kroppen som tar emot energin har en temperatur på 27,0 ºC.
11. (a) en bar överkropp ryttare under ett cirkustält känner värmen som strålar ut från den solbelysta delen av tältet. Beräkna temperaturen på tältduken baserat på följande information: Bar överkroppens hudtemperatur är 34,0 ºC och har en emissivitet på 0,970. Det exponerade hudområdet är 0, 400 m2., Han får strålning med en hastighet av 20,0 W-hälften vad du skulle beräkna om hela regionen bakom honom var varm. Resten av omgivningen är på 34,0 ºC. (B) diskutera hur denna situation skulle förändras om den solbelysta sidan av tältet var nästan ren vit och om ryttaren var täckt av en vit tunika.
12. integrerade koncept. En 30.0 ºC dag den relativa luftfuktigheten är 75.0%, och på kvällen temperaturen sjunker till 20.0 ºC, långt under daggpunkten. (a) hur många gram vatten kondenserar från varje kubikmeter luft? (B) hur mycket värmeöverföring sker genom denna kondensation?, c) vilken temperaturökning kan detta orsaka i torr luft?
13. integrerade koncept. Stora meteorer slår ibland jorden och omvandlar det mesta av sin kinetiska energi till termisk energi. (A) Vad är den kinetiska energin hos en 109 kg meteor som rör sig vid 25,0 km/s? (B) om denna meteor landar i ett djupt hav och 80% av dess kinetiska energi går in i värmevatten, hur många kilo vatten kan det höja med 5,0 ºC? (C) diskutera hur meteorens energi är mer sannolikt att deponeras i havet och de troliga effekterna av den energin.
14. integrerade koncept., Fruset avfall från flygplanstoaletter har ibland av misstag kastats ut på hög höjd. Vanligtvis bryter det upp och sprider sig över ett stort område, men ibland håller det ihop och slår marken. Beräkna massan av 0ºC is som kan smältas genom omvandling av kinetisk och gravitationspotential energi när en 20,0 kg Bit fruset avfall frigörs vid 12,0 km Höjd medan man rör sig vid 250 m / s och slår marken vid 100 m / s (eftersom mindre än 20,0 kg smälter, en betydande röra resultat).
15. integrerade koncept., (a) en stor elektrisk kraftanläggning producerar 1600 MW av ”spillvärme”, som släpps ut i miljön i kyltorn genom uppvärmning av luft som strömmar genom tornen med 5,00 ºC. Vad är den nödvändiga flödeshastigheten för luft i m3 / s? (B) överensstämmer ditt resultat med de stora kyltornen som används av många stora elektriska kraftverk?
16. integrerade koncept. (a) Antag att du börjar träna på en trappmästare, som producerar kraft i samma takt som att klättra 116 trappor per minut. Förutsatt att din massa är 76,0 kg och din effektivitet är 20.,0%, hur lång tid tar det för din kroppstemperatur att stiga 1.00 ºC om alla andra former av värmeöverföring in och ut ur kroppen är balanserade? (B) är detta förenligt med din erfarenhet av att bli varm när du tränar?
17. integrerade koncept. En 76,0 kg person som lider av hypotermi kommer inomhus och skakar kraftigt. Hur lång tid tar det värmeöverföringen för att öka personens kroppstemperatur med 2,00 ºC om alla andra former av värmeöverföring är balanserade?
18. integrerade koncept. I vissa stora geografiska regioner är den underliggande klippan varm., Brunnar kan borras och vatten cirkuleras genom berget för värmeöverföring för elproduktion. (A) beräkna den värmeöverföring som kan extraheras genom kylning 1,00 km3 av granit med 100ºC. (B)hur lång tid kommer det att ta för värmeöverföring med en hastighet av 300 MW, förutsatt att inga värmeöverföringar tillbaka till 1. 00km3 av rock i omgivningen?
19. integrerade koncept. Värmeöverföringar från dina lungor och andningspassager genom att förånga vatten. (A) beräkna det maximala antalet gram vatten som kan förångas när du andas in 1.,50 L av 37ºC luft med en ursprunglig relativ luftfuktighet på 40,0%. (Antag att kroppstemperaturen också är 37ºC.) (B) Hur många joule av energi krävs för att förånga denna mängd? (C) Vad är graden av värmeöverföring i watt från denna metod, om du andas med en normal vilohastighet på 10,0 andetag per minut?
20. integrerade koncept. (A)Vad är temperaturökningen av vatten som faller 55,0 m över Niagara Falls? b) vilken bråkdel måste avdunsta för att hålla temperaturen konstant?
21. integrerade koncept. Varmluft stiger eftersom den har expanderat., Det förskjuter sedan en större volym kall luft, vilket ökar den flytande kraften på den. (A) beräkna förhållandet mellan den flytande kraften och vikten på 50,0 ºC luft omgiven av 20,0 ºC luft. (B) vilken energi behövs för att få 1.00m3 luft att gå från 20.0 ºC till 50.0 ºC? (C)vilken gravitationspotential energi vinns av denna luftvolym om den stiger 1,00 m? Kommer detta att orsaka en betydande kylning av luften?
22. orimliga resultat. (A) Vad är temperaturökningen för en 80,0 kg person som konsumerar 2500 kcal mat på en dag med 95,0% av den energi som överförs som värme till kroppen?, b) Vad är orimligt med detta resultat? c) vilken premiss eller antagande är ansvarig?
23. orimliga resultat. En något rubbad arktisk uppfinnare omgiven av is tycker att det skulle vara mycket mindre mekaniskt komplicerat att kyla en bilmotor genom att smälta is på den än genom att ha ETT vattenkylt system med en radiator, vattenpump, frostskyddsmedel och så vidare. (a)om 80,0% av energin i 1,00 gal bensin omvandlas till ”spillvärme” i en bilmotor, hur många kilo 0ºC is kan det smälta? (B) är detta en rimlig mängd Is att bära runt för att kyla motorn för 1.,00 gal bensinkonsumtion? c) vilka lokaler eller antaganden är orimliga?
24. orimliga resultat. (A) beräkna graden av värmeöverföring genom ledning genom ett fönster med en yta på 1,00 m2 som är 0,750 cm tjock, om dess inre yta är vid 22,0 ºC och dess yttre yta är vid 35,0 ºC. b) Vad är orimligt med detta resultat? c) vilken premiss eller antagande är ansvarig?
25. orimliga resultat. En meteorit 1,20 cm i diameter är så varm omedelbart efter att ha trängt in i atmosfären att den utstrålar 20,0 kW kraft., (A) Vad är dess temperatur, om omgivningen är vid 20.0 ºC och den har en emissivitet på 0.800? b) Vad är orimligt med detta resultat? c) vilken premiss eller antagande är ansvarig?
26. konstruera ditt eget Problem. Tänk på en ny modell av kommersiella flygplan med sina bromsar testade som en del av den ursprungliga flygtillstånd förfarande. Flygplanet kommer till starthastighet och stoppas sedan med bromsarna ensam. Konstruera ett problem där du beräknar temperaturökningen av bromsarna under denna process., Du kan anta att det mesta av flygplanets kinetiska energi omvandlas till termisk energi i bromsarna och omgivande material, och det lilla flyr. Observera att bromsarna förväntas bli så heta i denna procedur att de antänds och för att klara provet måste flygplanet kunna motstå elden under en tid utan allmän förvirring.
27. konstruera ditt eget Problem. Tänk på en person utomhus på en kall natt. Konstruera ett problem där du beräknar värmeöverföringshastigheten från personen med alla tre värmeöverföringsmetoderna., Gör de ursprungliga omständigheterna så att personen i vila kommer att ha en netto värmeöverföring och bestämma sedan hur mycket fysisk aktivitet av en vald typ som är nödvändig för att balansera värmeöverföringshastigheten. Bland de saker att tänka på är personens storlek, typ av kläder, initial metabolisk hastighet, himmelförhållanden, mängd vatten förångas och luftvolym andas. Naturligtvis finns det många andra faktorer att tänka på och din instruktör kanske vill vägleda dig i de antaganden som gjorts samt detalj av analys och metod för att presentera dina resultat.,

    växthuseffekt: uppvärmning av jorden som beror på gaser som koldioxid och metan som absorberar infraröd strålning från jordens yta och reradierar den i alla riktningar, vilket skickar en bråkdel av den tillbaka mot jordens yta

    nettohastighet för värmeöverföring med strålning: är \displaystyle\frac{{Q}_{\text{net}}}{t}=\sigma eA\left({T}} = \ sigma eA \ left}_{2}^{4}-{T}_{1}^{4}\höger)\ \

    strålning: energi som överförs av elektromagnetiska vågor direkt till följd av en temperaturskillnad

    valda lösningar på problem & övningar

    1., -21,7 kW; Observera att det negativa svaret innebär värmeförlust till omgivningen.

    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) ett rent vitt föremål reflekterar mer av den strålningsenergi som träffar den, så ett vitt tält skulle förhindra mer av solljuset från att värma upp insidan av tältet, och den vita tuniken skulle förhindra att värmen som kom in i tältet från uppvärmning av ryttaren. Därför, med ett vitt tält, skulle temperaturen vara lägre än 48.,5ºC, och graden av strålningsvärme överförs till ryttaren skulle vara mindre än 20.0 W.

    13. (a) 3 × 1017 J; (b) 1 × 1013 kg; (c) när en stor meteor träffar Havet, orsakar det stora tidvattenvågor, avleda stor mängd av sin energi i form av kinetisk energi i vattnet.

    15. a) 3,44 × 105 m3/s, b) Detta motsvarar 12 miljoner kubikmeter luft per sekund. Det är fantastiskt. Detta är för stort för att skingras genom uppvärmning av luften med endast 5ºC. Många av dessa kyltorn använder cirkulationen av kallare luft över varmare vatten för att öka förångningshastigheten., Detta skulle tillåta mycket mindre mängder luft som krävs för att avlägsna en så stor mängd värme eftersom avdunstning avlägsnar större mängder värme än vad som ansågs i del a.

    17. 20.9 min

    19. (a) 3.96 × 10-2 g; (b) till 96,2 J; (c) 16.0 V

    21. (a) 1.102; (b) 2.79 × 104 J; (c) 12.6 J. detta kommer inte att orsaka en betydande kylning av luften eftersom det är mycket mindre än den energi som finns i del (b), vilket är den energi som krävs för att värma luften från 20.0 ºC till 50,0 ºC.

    22. (a) 36ºC; (b) varje temperaturökning som är större än ca 3ºC skulle vara orimligt stor., I detta fall skulle personens slutliga temperatur stiga till 73ºC (163ºF); c) antagandet om 95% värmeretention är orimligt.

    24. (a) 1,46 kW; (b) Mycket hög effektförlust genom ett fönster. En elektrisk värmare av denna kraft kan hålla ett helt rum varmt; (C) yttemperaturerna i fönstret inte skiljer sig med så stor mängd som antas. Den inre ytan blir varmare och den yttre ytan blir svalare.