ينتقل تدفق الحرارة بواسطة صيغة الإشعاع. هذا هو تدفق الحرارة. B6 نقل الحرارة المعقد ونقل الحرارة

للتعبير عن التأثير الكلي للحمل الحراري ، نستخدم قانون تبريد نيوتن: = 6 3 - 47. هنا ، يرتبط معدل نقل الحرارة بفرق درجة الحرارة الإجمالية بين الجدار والسائل ، ومساحة السطح. الإشعاع على عكس آليات التوصيل والحمل الحراري ، عندما يتم نقل الطاقة عبر وسيط مادي ، يمكن أيضًا نقل الحرارة إلى المناطق التي يوجد بها فراغ مثالي. في هذه الحالة ، الآلية هي الإشعاع الكهرومغناطيسي. يمكن أن يُظهر الإشعاع خصائص متموجة أو جسمية.

انتشار الإشعاع الكهرومغناطيسي نتيجة اختلاف درجات الحرارة ؛ وهذا ما يسمى بالإشعاع الحراري. تظهر الاعتبارات الديناميكية الحرارية أن المبرد المثالي أو الجسم الأسودسوف تشع الطاقة بمعدل يتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم المطلقة. تسمى المعادلة 5 قانون Stefan-Boltzmann للإشعاع الحراري ، وهي قابلة للتطبيق فقط على الأجسام السوداء. جدار ثابت مستقر للتوصيل. لنفكر أولاً في الجدار المسطح حيث يمكن تطبيق قانون فورييه بشكل مباشر.

يوضح الشكل 3 مشكلة نموذجية ودائرتها التناظرية. أرز. 3 تتدفق الحرارة أحادي البعد من خلال عدة قطع أسطوانية ونظيرتها الكهربائية. يمكن أيضًا اعتبار الأنظمة الكروية أحادية البعد عندما تكون درجة الحرارة مجرد دالة في نصف القطر. عزلة حرجة. أنبوب بخار لتوضيح نصف القطر الحرج للعزل. لنفترض أن لديك أنبوب بخار تريد عزله لمنع فقدان الطاقة وحماية الناس من الحروق. إذا لم يكن البخار شديد السخونة ، فسوف يتكثف بعض البخار في الأنبوب.

درجة حرارة سطح عازل الأنبوب تساوي تقريبًا درجة حرارة تشبع البخار ، نظرًا لأن المقاومة الحرارية في جدار الأنبوب تميل إلى أن تكون صغيرة وتختفي. لذلك ، سيكون انخفاض درجة الحرارة عبر جدار الأنبوب صغيرًا جدًا. يوضح الشكل التالي نظيرًا كهربائيًا مصممًا لهذه المهمة المبسطة. نصف القطر الداخلي والخارجي للعزل. لتحديد نصف القطر الحرج للعزل ، سنعمل على النحو التالي. التوصيل الشعاعي للحرارة عبر كرة مجوفة الشكل 1 توصيل الحرارة عبر كرة مجوفة إنشاء توازن طاقة في عنصر حجم تفاضلي لتحديد المعادلة التفاضلية المقابلة.

المعادلة أعلاه هي معادلة تفاضلية مناسبة لتوزيع درجة الحرارة في كرة مجوفة. الشرطان الحدوديان المرتبطان بهذه المشكلة هما كما يلي: نظرًا لأن العازل أكثر سمكًا ، انخفض معدل نقل الحرارة ، نظرًا لأن مساحة الجدار ثابتة ، وعندما تكون معزولة ، فإنها تزيد المقاومة الحرارية دون زيادة مقاومة الحمل. لكن شيئًا مختلفًا يحدث مع الأسطوانات والمجالات عند عزلها. عملية تبادل الطاقة على شكل حرارة بين أجسام مختلفة أو فيما بينها أجزاء مختلفةنفس الجسم عند درجات حرارة مختلفة.

يحدث انتقال الحرارة دائمًا من المزيد الجسم الدافئإلى البرودة ، نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يحدث انتقال الحرارة حتى تصل الأجسام ومحيطها إلى التوازن الحراري. تنتقل الحرارة بالحمل الحراري أو الإشعاع أو التوصيل. على الرغم من أن هذه العمليات الثلاث قد تحدث في وقت واحد ، فقد يحدث أن تسود إحدى الآليات على الاثنتين الأخريين.

الإشعاع الكهرومغناطيسي هو مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، المتذبذبة والعمودية على بعضها البعض ، وتنتشر عبر الفضاء ، وتحمل الطاقة من مكان إلى آخر. على عكس التوصيل والحمل الحراري ، أو أنواع أخرى من الموجات ، مثل الصوت ، التي تتطلب وسيطًا ماديًا للانتشار ، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي لا يعتمد على المادة في الانتشار ؛ في الواقع ، يكون نقل الطاقة بالإشعاع أكثر كفاءة في الفراغ. ومع ذلك ، فإن سرعة وكثافة واتجاه تدفق الطاقة تتأثر بوجود المادة.

وبالتالي ، يمكن لهذه الموجات أن تمر عبر الفضاء بين الكواكب وبين النجوم وتصل إلى الأرض من. البراكين والنشاط الزلزالي وظاهرة التحول والتكوين هي بعض الظواهر التي يتم التحكم فيها عن طريق نقل الحرارة وإطلاقها. في الواقع ، يتحكم توازن حرارة الأرض في النشاط في الغلاف الصخري ، في الغلاف الموري ، وكذلك في الجزء الداخلي من الكوكب.

الحرارة التي تصل إلى سطح الأرض لها مصدران: باطن الكوكب والشمس. يتم إرجاع بعض هذه الطاقة إلى الفضاء. إذا افترضنا أن الشمس والغلاف الحيوي يحافظان على متوسط ​​درجة الحرارة على سطح الكوكب مع تقلبات صغيرة ، فإن الحرارة المنبعثة من داخل الكوكب تحدد التطور الجيولوجي للكوكب ، أي أنها تتحكم في الصفائح التكتونية ، الصهارة ، وتوليد سلاسل الجبال ، وتطور الجزء الداخلي من الكوكب ، بما في ذلك مجاله المغناطيسي.

هو - هي خاصية فيزيائيةمادة وهي مقياس لقدرة المادة على "توصيل" الحرارة. إذا أخذنا في الاعتبار الحالة أحادية البعد ، فإن قانون فورييه مكتوب. إذا لم يتغير تدفق الحرارة ودرجة حرارة الوسط بمرور الوقت ، تعتبر العملية ثابتة. إذا لم تكن هناك حرارة في حجم المادة ، فسنحصل عليها. حيث ρ هي كثافة المادة. يتيح لك هذا التعبير حساب درجة الحرارة عند نقاط داخل المنطقة ، مع مراعاة شروط الحدود.

يمكننا تطبيق هذه المعادلة لمحاولة معرفة شيء عن توزيع درجة الحرارة داخل الكوكب ، باستخدام الأسطح المعروفة للتدفق ودرجة الحرارة كظروف حدودية. يعطي دمج هذه المعادلة مرة أخرى. يمكن استخدام هذا التعبير الأخير لتحديد التغير في درجة الحرارة مع العمق. تأمل ، إذن ، حالة الأرض ، بافتراض أن الحرارة تنتقل أساسًا عن طريق التوصيل. يُطلق على منحنى عمق درجة الحرارة اسم "حرارة الأرض". يُظهر تحليل الشكل أنه في الأعماق التي تزيد عن 100 كم ، يجب أن يكون الوشاح ذا ذوبان كبير ، بينما بالنسبة للأعماق التي تزيد عن 150 كم ، يجب أن يذوب الوشاح بأكمله.

لا تتفق هذه "التوقعات" مع المعلومات التي تم الحصول عليها من دراسة انتشار الموجات الزلزالية ، لذلك يجب أن نستنتج أن نموذج التوصيل الحراري لا يتنبأ بشكل صحيح بملف درجة الحرارة في الوشاح. على الرغم من أن نموذج القيادة لا يتنبأ بدرجة الحرارة في الوشاح العلوي ، إلا أنه يمثل نجاحًا كبيرًا عند تطبيقه على الجزء الخارجي من الكوكب ، أي. قشرة الأرض ، حيث تكون الحرارة الداخلية بشكل رئيسي من التحلل الإشعاعي وتنتقل إلى السطح ، عن طريق القيادة.

سنعود إلى هذه المشكلة عند دراسة تدفق الحرارة في القارات. ضع في اعتبارك طبقة من السائل يتم تسخينها في الأسفل وتبريدها في الأعلى. عندما يتم تسخين السائل ، تقل كثافته بسبب التمدد. في الحالة قيد النظر ، سيكون الجزء العلوي من الطبقة السائلة أكثر برودة ، وبالتالي أكثر كثافة من الطبقة السفلية. هذا الوضع غير مستقر جاذبيًا ، مما يمنع السائل السائل من التبريد ، وكلما زاد تسخينه ، تنشأ تيارات الحمل الأسرع. حركة المائع مدفوعة بالقوى الدافعة.

لذلك ، ضع في اعتبارك عنصر سائل مستطيل الشكل ، كما هو موضح في الشكل. القوى المؤثرة على عنصر مائع هي: القوى الناتجة عن تدرج الضغط وقوة الجاذبية وقوة الدفع. بالنسبة للأخير ، يجب مراعاة كثافة السائل. سيكون المكون الرأسي للقوة الناتجة بعد ذلك.

على الرغم من وجود النظائر المشعة بكميات صغيرة في قشرة الأرض وهي أيضًا أقل شيوعًا في الوشاح ، فإن تحللها الطبيعي ينتج قدرًا كبيرًا من الحرارة ، كما يتضح من الجدول الموجود على اليسار. وأهم عناصر هذه العملية هي اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم. يمكن ملاحظة أن مساهمة اليورانيوم والثوريوم أعلى من مساهمة البوتاسيوم.

يوضح الجدول التالي تركيز العناصر المشعة والتوليد الحراري لبعض الصخور. الجرانيت هو الحجر الذي يطلق المزيد من الحرارة بسبب تحلل المواد المشعة حيث يحتوي على أعلى تركيز لهذه العناصر. يمكن استخدام قياس الحرارة المتولدة عن قشرة الأرض في الوقت الحاضر لحساب الحرارة المتولدة في الماضي. من ناحية أخرى ، يمكن استخدام تركيز العناصر المشعة في تأريخ الصخور.

يتم الحصول على معدل اضمحلال النظير المشع بواسطة الصيغة. على الرغم من أن معدل توليد الحرارة في قشرة الأرض أعلى بحوالي درجتين من حيث الحجم من الوشاح ، يجب أن يؤخذ معدل إنتاج الوشاح في الاعتبار ، لأن حجم الوشاح أكبر بكثير من حجم القشرة. تم إجراء هذا التفاعل في المختبر عند درجات حرارة وضغوط بترتيب تلك الموجودة في واجهة اللب والعباءة.

يوضح الشكل توزيع تدفق الحرارة على طول الأرض. يتم توزيع الحرارة المفقودة عبر سطح الكوكب بالتساوي. يوضح الجدول التالي المساهمات الرئيسية: يتم فقدان 73٪ من الحرارة عبر المحيطات والتي تشكل 60٪ من سطح الأرض. يتم فقدان معظم الحرارة أثناء تكوين وتبريد الغلاف الصخري المحيطي مواد جديدةينحرف عن التلال الوسطى. ترتبط الصفائح التكتونية بشكل أساسي بتبريد الأرض. من ناحية أخرى ، يبدو أن متوسط ​​السرعةيتم تحديد إنشاء قاع المحيط من خلال التوازن بين معدل توليد الحرارة والمعدل الإجمالي لفقدها درجة حرارة عاليةعلى سطح الكوكب بأكمله.

في نماذج الصفائح التكتونية ، يحدث صعود مواد الوشاح عند مرتفعات المحيط. تؤدي هذه المواد ، عند تبريدها ، إلى تكوين قشرة محيطية جديدة. عند الابتعاد عن المنطقة الصاعدة ، تبرد القشرة الجديدة إلى أعماق كبيرة، وتشكيل صفيحة صلبة أكثر سمكًا وسمكًا.

يوضح الشكل التالي القيم المرصودة لتدفق الحرارة كدالة لعصر الغلاف الصخري المحيطي ، بالإضافة إلى القيم المحسوبة من النموذج النظري. بالنظر إلى ما قيل في الفقرة السابقة ، يمكن تفسير هذه المؤامرة على أنها تمثل قيم التدفق كدالة للمسافة إلى الحافة. كما يمكن أن نرى ، فإن التدفق الحراري بالقرب من التلال المحيطية له قيم عالية ، يتناقص مع المسافة من المنطقة الصاعدة لمواد الوشاح. بمقارنة القيم المرصودة بالقيم المحسوبة ، يتم التحقق من أن التدفقات المشتقة من النماذج أعلى من تلك التي لوحظت بالقرب من التلال.