شار حرارتی منتقل شده توسط فرمول تابش. این جریان گرما است. B6 انتقال حرارت و انتقال حرارت پیچیده

برای بیان اثر کلی همرفت، از قانون خنک‌سازی نیوتن استفاده می‌کنیم: = ℎ 6 3 - 47. در اینجا، نرخ انتقال حرارت به اختلاف دمای کل بین دیوار و سیال و مساحت سطح مربوط می‌شود. تابش برخلاف مکانیسم‌های هدایت و همرفت، وقتی انرژی از طریق یک محیط مادی منتقل می‌شود، گرما را می‌توان به مناطقی که خلاء کامل وجود دارد نیز منتقل کرد. در این مورد، مکانیسم تابش الکترومغناطیسی است. تابش می تواند خواص موجی یا جسمی از خود نشان دهد.

تابش الکترومغناطیسی که در نتیجه اختلاف دما منتشر می شود. به این تابش حرارتی می گویند. ملاحظات ترمودینامیکی نشان می دهد که یک رادیاتور ایده آل یا بدن سیاهانرژی را با سرعتی متناسب با توان چهارم دمای مطلق بدن تابش می کند. معادله 5 قانون تابش حرارتی استفان-بولتزمن نامیده می شود و فقط برای اجسام سیاه قابل استفاده است. دیوار صاف هدایت پایدار. اجازه دهید ابتدا یک دیوار مسطح را در نظر بگیریم که در آن می توان به طور مستقیم از قانون فوریه استفاده کرد.

شکل 3 یک مشکل معمولی و مدار آنالوگ آن را نشان می دهد. برنج. 3 جریان گرما یک بعدی از طریق چندین برش استوانه ای و همتای الکتریکی آنها. هنگامی که دما فقط تابعی از شعاع باشد، سیستم‌های کروی را می‌توان یک‌بعدی نیز در نظر گرفت. انزوای انتقادی لوله بخار برای نشان دادن شعاع بحرانی عایق. فرض کنید یک لوله بخار دارید که می خواهید آن را عایق بندی کنید تا از اتلاف انرژی جلوگیری کنید و از مردم در برابر سوختگی محافظت کنید. اگر بخار فوق گرم نباشد، مقداری بخار در لوله متراکم می شود.

دمای سطح لوله عایق تقریباً برابر با دمای اشباع بخار است، زیرا مقاومت حرارتی در دیواره لوله کوچک است و از بین می رود. بنابراین، افت دما در سراسر دیواره لوله بسیار کم خواهد بود. شکل زیر یک آنالوگ الکتریکی را نشان می دهد که برای این کار ساده ساخته شده است. شعاع داخلی و خارجی عایق. برای تعیین شعاع بحرانی عایق به صورت زیر عمل می کنیم. انتقال شعاعی گرما از طریق یک کره توخالی شکل 1 هدایت گرما از طریق یک کره توخالی ایجاد تعادل انرژی در یک عنصر حجمی دیفرانسیل برای تعیین معادله دیفرانسیل مربوطه.

معادله فوق یک معادله دیفرانسیل مناسب برای توزیع دما در یک کره توخالی است. دو شرط مرزی مرتبط با این مشکل به شرح زیر است: از آنجایی که عایق ضخیم تر است، سرعت انتقال حرارت کمتر است، زیرا سطح دیوار ثابت است، و هنگامی که عایق است، مقاومت حرارتی را بدون افزایش مقاومت همرفتی افزایش می دهد. اما وقتی استوانه‌ها و کره‌ها را جدا می‌کنید، اتفاق متفاوتی می‌افتد. فرآیند تبادل انرژی به شکل گرما بین اجسام مختلف یا بین بخشهای مختلفهمان بدن در دماهای مختلف

انتقال حرارت همیشه از بیشتر اتفاق می افتد بدن گرمسردتر، در نتیجه قانون دوم ترمودینامیک. انتقال حرارت تا زمانی اتفاق می افتد که اجسام و محیط اطراف آنها به تعادل حرارتی برسند. گرما از طریق همرفت، تابش یا رسانایی منتقل می شود. اگرچه ممکن است این سه فرآیند به طور همزمان رخ دهند، اما ممکن است اتفاق بیفتد که یک مکانیسم بر دو مکانیسم دیگر غالب شود.

تابش الکترومغناطیسی ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی است که در نوسان و عمود بر یکدیگر هستند، در فضا منتشر می شوند و انرژی را از مکانی به مکان دیگر منتقل می کنند. بر خلاف رسانش و همرفت یا انواع دیگر امواج، مانند صدا، که برای انتشار نیاز به یک محیط مادی دارند، تابش الکترومغناطیسی برای انتشار به ماده وابسته نیست؛ در واقع، انتقال انرژی توسط تابش در خلاء کارآمدتر است. با این حال، سرعت، شدت و جهت جریان انرژی تحت تأثیر حضور ماده است.

بنابراین، این امواج می توانند از فضای بین سیاره ای و بین ستاره ای عبور کرده و از آن به زمین برسند. آتشفشان، فعالیت لرزه ای، پدیده دگرگونی و کوهزایی از جمله پدیده هایی هستند که با انتقال و انتشار گرما کنترل می شوند. در واقع، تعادل حرارتی زمین فعالیت در لیتوسفر، استنوسفر و همچنین در داخل سیاره را کنترل می کند.

گرمایی که به سطح زمین می رسد دو منبع دارد: درون سیاره و خورشید. مقداری از این انرژی به فضا باز می گردد. اگر فرض شود که خورشید و بیوسفر دمای متوسط ​​سطح سیاره را با نوسانات کوچک حفظ می کنند، گرمای ساطع شده از داخل سیاره، تکامل زمین شناسی سیاره را تعیین می کند، یعنی زمین ساخت صفحه را کنترل می کند. ماگماتیسم، تولید رشته کوه ها، تکامل بخش داخلی سیاره، از جمله میدان مغناطیسی آن.

آی تی دارایی فیزیکیماده و معیاری از توانایی یک ماده برای "رسانایی" گرما است. اگر حالت تک بعدی را در نظر بگیریم، قانون فوریه نوشته می شود. اگر شار حرارتی و دمای محیط با گذشت زمان تغییر نکند، فرآیند ثابت در نظر گرفته می شود. اگر در حجم مواد گرما نباشد، خواهیم داشت. جایی که ρ چگالی ماده است. این عبارت به شما این امکان را می دهد که دما را در نقاطی در منطقه محاسبه کنید، مشروط به اعمال شرایط مرزی.

ما می‌توانیم این معادله را برای یافتن چیزی در مورد توزیع دما در داخل سیاره با استفاده از سطوح شناخته شده جریان و دما به عنوان شرایط مرزی اعمال کنیم. ادغام مجدد این معادله می دهد. این آخرین عبارت را می توان برای تعیین تغییر دما با عمق استفاده کرد. بنابراین، مورد زمین را در نظر بگیرید، با فرض اینکه گرما عمدتاً از طریق رسانایی منتقل می شود. منحنی دما-عمق "زمین گرمایی" نامیده می شود. تجزیه و تحلیل شکل نشان می دهد که در اعماق بیش از 100 کیلومتر، گوشته باید ذوب قابل توجهی داشته باشد، در حالی که برای اعماق بیشتر از 150 کیلومتر، کل گوشته باید ذوب شود.

این «پیش‌بینی‌ها» با اطلاعات به‌دست‌آمده از مطالعه انتشار امواج لرزه‌ای همخوانی ندارد، بنابراین باید به این نتیجه برسیم که مدل هدایت حرارتی به درستی مشخصات دما را در گوشته پیش‌بینی نمی‌کند. حتی اگر مدل رانندگی در پیش‌بینی دما در گوشته بالایی نیست، زمانی که در قسمت بیرونی سیاره اعمال شود، موفقیت قابل توجهی را نشان می‌دهد. پوسته زمین، که در آن گرمای داخلی عمدتاً ناشی از فروپاشی رادیواکتیو است و با حرکت به سطح زمین منتقل می شود.

هنگام مطالعه جریان گرما در قاره ها به این مشکل باز خواهیم گشت. یک لایه مایع را در نظر بگیرید که در پایین گرم شده و در بالا خنک شده است. هنگامی که یک مایع گرم می شود، چگالی آن به دلیل انبساط کاهش می یابد. در مورد مورد بررسی، قسمت بالایی لایه مایع سردتر و در نتیجه متراکم تر از لایه پایینی خواهد بود. این وضعیت از نظر گرانشی ناپایدار است و از خنک شدن مایع مایع جلوگیری می کند و هر چه بیشتر گرم شود جریان های همرفت سریعتر ایجاد می شود. حرکت یک سیال توسط نیروهای محرک هدایت می شود.

بنابراین، یک عنصر سیال مستطیلی را در نظر بگیرید، همانطور که در شکل نشان داده شده است. نیروهای وارد بر یک عنصر سیال عبارتند از: نیروهای ناشی از گرادیان فشار، نیروی گرانش و نیروی رانش. برای دومی، چگالی مایع باید در نظر گرفته شود. مولفه عمودی نیروی حاصله پس از آن خواهد بود.

اگرچه ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به مقدار کم در پوسته زمین وجود دارند و در گوشته نیز به‌وفور کمتری دارند، اما فروپاشی طبیعی آن مقدار قابل‌توجهی گرما تولید می‌کند، همانطور که از جدول سمت چپ مشاهده می‌شود. مهمترین عناصر این فرآیند اورانیوم، توریم و پتاسیم هستند. مشاهده می شود که سهم اورانیوم و توریم بیشتر از پتاسیم است.

جدول زیر غلظت عناصر رادیواکتیو و تولید حرارتی برخی از سنگ ها را نشان می دهد. گرانیت سنگی است که در اثر پوسیدگی مواد رادیواکتیو گرمای بیشتری آزاد می‌کند زیرا بیشترین غلظت این عناصر را دارد. اندازه گیری گرمای تولید شده توسط پوسته زمین در زمان حاضر می تواند برای محاسبه گرمای تولید شده در گذشته استفاده شود. از سوی دیگر می توان از غلظت عناصر رادیواکتیو در تاریخ سنجی سنگ استفاده کرد.

نرخ واپاشی یک ایزوتوپ رادیواکتیو با فرمول داده می شود. اگرچه سرعت تولید گرما در پوسته زمین حدود دو مرتبه بزرگتر از گوشته است، اما سرعت تولید گوشته باید در نظر گرفته شود، زیرا حجم گوشته بسیار بزرگتر از حجم پوسته است. این واکنش در آزمایشگاه در دماها و فشارهایی که در مرز هسته و گوشته قرار دارند انجام شد.

شکل توزیع گرما در طول زمین را نشان می دهد. گرمای از دست رفته از طریق سطح سیاره به طور مساوی توزیع می شود. جدول زیر سهم اصلی را نشان می دهد: 73% گرما از طریق اقیانوس ها که 60% سطح زمین را تشکیل می دهند از دست می رود. بیشتر گرما در طول ایجاد و سرد شدن لیتوسفر اقیانوسی از بین می رود، زمانی که مواد جدیداز پشته های میانی حرکت می کند. تکتونیک صفحات اساساً با سرد شدن زمین مرتبط است. از طرفی به نظر می رسد که سرعت متوسطایجاد کف اقیانوس با تعادل بین نرخ تولید گرما و نرخ کلی از دست دادن آن تعیین می شود. درجه حرارت بالادر تمام سطح سیاره

در مدل های تکتونیک صفحه ای، صعود مواد گوشته در پشته های اقیانوسی اتفاق می افتد. این مواد وقتی سرد می شوند منجر به تشکیل پوسته اقیانوسی جدید می شوند. هنگام دور شدن از منطقه صعودی، پوسته جدید خنک می شود اعماق بزرگ، یک صفحه سفت و سخت ضخیم تر و ضخیم تر را تشکیل می دهد.

شکل زیر مقادیر مشاهده شده جریان گرما را به عنوان تابعی از سن لیتوسفر اقیانوسی و همچنین مقادیر محاسبه شده از مدل نظری نشان می دهد. با توجه به آنچه در پاراگراف قبل گفته شد، این نمودار را می توان به عنوان نشان دهنده مقادیر شار به عنوان تابعی از فاصله تا خط الراس تفسیر کرد. همانطور که مشاهده می شود، شار گرما در نزدیکی پشته های اقیانوسی دارای مقادیر بالایی است که با فاصله از ناحیه صعودی مواد گوشته کاهش می یابد. با مقایسه مقادیر مشاهده شده با مقادیر محاسبه شده، تأیید می شود که شارهای حاصل از مدل ها بیشتر از شارهای مشاهده شده در نزدیکی خط الراس هستند.