Toplinski tok prenesen formulom zračenja. Ovo je protok topline. B6 Kompleksni prijenos topline i prijenos topline

Kako bismo izrazili ukupni učinak konvekcije, koristimo se Newtonovim zakonom hlađenja: = ℎ 6 3 - 47. Ovdje je brzina prijenosa topline povezana s ukupnom temperaturnom razlikom između stijenke i tekućine te površinom. Zračenje Za razliku od mehanizama kondukcije i konvekcije, kada se energija prenosi kroz materijalni medij, toplina se također može prenositi u područja gdje postoji savršeni vakuum. U ovom slučaju mehanizam je elektromagnetsko zračenje. Zračenje može pokazivati ​​valovita ili korpuskularna svojstva.

Elektromagnetsko zračenje koje se širi kao rezultat temperaturne razlike; To se naziva toplinsko zračenje. Termodinamička razmatranja pokazuju da idealan radijator odn crno tijelo zračit će energiju brzinom proporcionalnom četvrtoj potenciji apsolutne temperature tijela. Jednadžba 5 naziva se Stefan-Boltzmannov zakon toplinskog zračenja i primjenjiva je samo na crna tijela. Stabilna ravna stijenka vodljivosti. Razmotrimo najprije ravni zid na koji se može izvršiti izravna primjena Fourierovog zakona.

Slika 3 prikazuje tipičan problem i njegov analogni krug. Riža. 3 Jednodimenzionalni toplinski tok kroz nekoliko cilindričnih rezova i njihov električni dvojnik. Sferni sustavi se također mogu smatrati jednodimenzionalnima kada je temperatura samo funkcija polumjera. kritična izolacija. Parna cijev za ilustraciju kritičnog polumjera izolacije. Recimo da imate parnu cijev koju želite izolirati kako biste spriječili gubitak energije i zaštitili ljude od opeklina. Ako para nije pregrijana, nešto pare će se kondenzirati u cijevi.

Površinska temperatura izolacije cijevi približno je jednaka temperaturi zasićenja pare, jer toplinski otpor na stijenci cijevi ima tendenciju da bude mali i nestaje. Zbog toga će pad temperature preko stijenke cijevi biti vrlo mali. Sljedeća slika prikazuje električni analog izgrađen za ovaj pojednostavljeni zadatak. Unutarnji i vanjski radijusi izolacije. Da bismo odredili kritični radijus izolacije, postupit ćemo na sljedeći način. Radijalno provođenje topline kroz šuplju sferu Slika 1. Provođenje topline kroz šuplju sferu Stvaranje energetske bilance u elementu diferencijalnog volumena za određivanje odgovarajuće diferencijalne jednadžbe.

Gornja jednadžba je prikladna diferencijalna jednadžba za raspodjelu temperature u šupljoj kugli. Dva rubna uvjeta povezana s ovim problemom su sljedeća: budući da je izolator deblji, to je niža brzina prijenosa topline, budući da je površina zida konstantna, a kada je izoliran, povećava toplinski otpor bez povećanja otpora konvekcije. Ali nešto se drugačije događa s cilindrima i sferama kada ih izolirate. Proces izmjene energije u obliku topline između različitih tijela ili između razne dijelove isto tijelo na različitim temperaturama.

Prijenos topline uvijek se događa iz više toplo tijelo na hladnije, kao rezultat drugog zakona termodinamike. Prijenos topline događa se sve dok tijela i njihova okolina ne postignu toplinsku ravnotežu. Toplina se prenosi konvekcijom, zračenjem ili kondukcijom. Iako se ova tri procesa mogu odvijati istovremeno, može se dogoditi da jedan mehanizam prevlada nad druga dva.

Elektromagnetsko zračenje kombinacija je električnog i magnetskog polja, oscilirajućih i okomitih jedno na drugo, koja se šire prostorom, prenoseći energiju s jednog mjesta na drugo. Za razliku od vodljivosti i konvekcije ili drugih vrsta valova, poput zvuka, koji zahtijevaju materijalni medij za širenje, elektromagnetsko zračenje ne ovisi o širenju materije; zapravo, prijenos energije zračenjem učinkovitiji je u vakuumu. Međutim, na brzinu, intenzitet i smjer protoka energije utječe prisutnost materije.

Dakle, ti valovi mogu proći kroz međuplanetarni i međuzvjezdani prostor i doći do Zemlje iz. Vulkanizam, seizmička aktivnost, fenomeni metamorfizma i orogeneze neki su od fenomena koji su kontrolirani prijenosom i oslobađanjem topline. Zapravo, toplinska ravnoteža Zemlje kontrolira aktivnost u litosferi, u astenosferi, a također iu unutrašnjosti planeta.

Toplina koja dolazi do površine Zemlje ima dva izvora: unutrašnjost planeta i Sunce. Dio te energije vraća se u svemir. Ako se pretpostavi da sunce i biosfera održavaju prosječnu temperaturu na površini planeta s malim kolebanjima, tada toplina koja izlazi iz unutrašnjosti planeta određuje geološku evoluciju planeta, odnosno kontrolira tektoniku ploča, magmatizam, stvaranje planinskih lanaca, evolucija unutarnjeg dijela planeta, uključujući njegovo magnetsko polje.

to fizičko vlasništvo materijala i mjera je sposobnosti materijala da "vodi" toplinu. Ako razmatramo jednodimenzionalni slučaj, onda je Fourierov zakon napisan. Ako se toplinski tok i temperatura medija ne mijenjaju s vremenom, proces se smatra stacionarnim. Ako u volumenu materijala nema topline, imat ćemo. Gdje je ρ gustoća materijala. Ovaj izraz vam omogućuje izračunavanje temperature u točkama unutar regije, ovisno o nametanju rubnih uvjeta.

Ovu jednadžbu možemo primijeniti da pokušamo naučiti nešto o raspodjeli temperature unutar planeta, koristeći protok i temperaturu poznatih površina kao rubne uvjete. Ponovno integriranje ove jednadžbe daje. Ovaj posljednji izraz može se koristiti za određivanje promjene temperature s dubinom. Razmotrimo, stoga, slučaj Zemlje, uz pretpostavku da se toplina prenosi uglavnom kondukcijom. Krivulja temperatura-dubina naziva se "geotermalna". Analiza slike pokazuje da se na dubinama većim od 100 km plašt mora značajno otopiti, dok se na dubinama većim od 150 km mora otopiti cijeli plašt.

Ta se "predviđanja" ne slažu s informacijama dobivenim proučavanjem širenja seizmičkih valova, pa moramo zaključiti da model toplinske vodljivosti ne predviđa točno profil temperature u plaštu. Iako pokretački model nije u predviđanju temperature u gornjem omotaču, on predstavlja značajan uspjeh kada se primijeni na vanjski dio planeta, tj. zemljine kore, gdje je unutarnja toplina uglavnom od radioaktivnog raspada i prenosi se na površinu, vožnjom.

Ovom ćemo se problemu vratiti pri proučavanju toka topline na kontinentima. Razmotrimo sloj tekućine koji se zagrijava na dnu i hladi na vrhu. Kad se tekućina zagrijava, njezina gustoća se smanjuje zbog širenja. U slučaju koji razmatramo, gornji dio tekućeg sloja bit će hladniji i stoga gušći od donjeg. Ova situacija je gravitacijski nestabilna, sprječava hlađenje tekuće tekućine, a što se više zagrijava, nastaju brže konvekcijske struje. Kretanje tekućine pokreću pogonske sile.

Razmotrimo, stoga, pravokutni fluidni element, kao što je prikazano na slici. Sile koje djeluju na fluidni element su: sile zbog gradijenta tlaka, sila gravitacije i sila potiska. Za potonje se mora uzeti u obzir gustoća tekućine. Vertikalna komponenta rezultirajuće sile bit će tada.

Iako radioaktivni izotopi postoje u malim količinama u zemljinoj kori, a također su rjeđi u plaštu, njihov prirodni raspad proizvodi značajnu količinu topline, kao što se može vidjeti iz tablice lijevo. Najvažniji elementi ovog procesa su uran, torij i kalij; vidljivo je da je doprinos urana i torija veći od doprinosa kalija.

Sljedeća tablica prikazuje koncentraciju radioaktivnih elemenata i toplinsku generaciju nekih stijena. Granit je kamen koji oslobađa više topline zbog raspadanja radioaktivnih materijala jer ima najveću koncentraciju tih elemenata. Mjerenje topline koju proizvodi zemljina kora u sadašnje vrijeme može se koristiti za izračunavanje topline proizvedene u prošlosti. S druge strane, koncentracija radioaktivnih elemenata može se koristiti u datiranju stijena.

Brzina raspada radioaktivnog izotopa dana je formulom. Iako je brzina stvaranja topline u Zemljinoj kori oko dva reda veličine veća od one u plaštu, stopa proizvodnje plašta se mora uzeti u obzir, budući da je volumen plašta mnogo veći od volumena kore. Ova reakcija je provedena u laboratoriju na temperaturama i pritiscima reda onih na granici jezgre i plašta.

Na slici je prikazan raspored toka topline duž Zemlje. Toplina izgubljena kroz površinu planeta je ravnomjerno raspoređena. Sljedeća tablica prikazuje glavne doprinose: 73% topline gubi se kroz oceane, koji čine 60% Zemljine površine. Većina topline gubi se tijekom stvaranja i hlađenja oceanske litosfere, kada novi materijal polazi od srednjih grebena. Tektonika ploča temeljno je povezana s hlađenjem Zemlje. S druge strane, čini se da Prosječna brzina stvaranje oceanskog dna određeno je ravnotežom između stope stvaranja topline i ukupne stope gubitka iste visoka temperatura preko cijele površine planeta.

U modelima tektonike ploča, uzdizanje materijala plašta događa se na oceanskim grebenima. Ovi materijali, kada se ohlade, dovode do stvaranja nove oceanske kore. Kada se udaljava od uzlazne zone, nova se kora hladi do velike dubine tvoreći sve deblju krutu ploču.

Sljedeća slika prikazuje promatrane vrijednosti toplinskog toka u funkciji starosti oceanske litosfere, kao i vrijednosti izračunate iz teorijskog modela. Uzimajući u obzir ono što je rečeno u prethodnom odlomku, ovaj dijagram se može tumačiti kao predstavljanje vrijednosti toka kao funkcije udaljenosti do grebena. Kao što se može vidjeti, toplinski tok u blizini oceanskih grebena ima visoke vrijednosti, smanjujući se s udaljenošću od uzlazne zone materijala plašta. Usporedbom promatranih vrijednosti s izračunatim vrijednostima, potvrđuje se da su fluksevi izvedeni iz modela veći od onih promatranih u blizini grebena.