Fluks panas ditransmisikan oleh rumus radiasi. Ini adalah aliran panas. B6 Perpindahan panas dan perpindahan panas yang kompleks

Untuk menyatakan efek keseluruhan konveksi, kita menggunakan hukum pendinginan Newton: = 6 3 - 47. Di sini, laju perpindahan panas berhubungan dengan perbedaan suhu total antara dinding dan cairan, dan luas permukaan. Radiasi Berbeda dengan mekanisme konduksi dan konveksi, ketika energi ditransfer melalui media material, panas juga dapat ditransfer ke area di mana terdapat ruang hampa sempurna. Dalam hal ini, mekanismenya adalah radiasi elektromagnetik. Radiasi dapat menunjukkan sifat bergelombang atau sel darah.

Radiasi elektromagnetik merambat sebagai akibat dari perbedaan suhu; Ini disebut radiasi termal. Pertimbangan termodinamika menunjukkan bahwa radiator ideal atau tubuh hitam akan memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak benda. Persamaan 5 disebut hukum Stefan-Boltzmann tentang radiasi termal, dan persamaan tersebut hanya berlaku untuk benda hitam. Dinding konduksi datar yang stabil. Pertama-tama mari kita pertimbangkan sebuah dinding datar di mana penerapan langsung hukum Fourier dapat dilakukan.

Gambar 3 menunjukkan masalah tipikal dan rangkaian analognya. Beras. 3 Aliran panas satu dimensi melalui beberapa potongan silinder dan pasangan listriknya. Sistem bola juga dapat dianggap sebagai satu dimensi ketika suhu hanya merupakan fungsi dari jari-jari. isolasi kritis. Tabung uap untuk menggambarkan radius kritis isolasi. Katakanlah Anda memiliki pipa uap yang ingin Anda isolasi untuk mencegah kehilangan energi dan melindungi orang dari luka bakar. Jika uap tidak dipanaskan, sebagian uap akan mengembun di dalam pipa.

Suhu permukaan insulasi pipa kira-kira sama dengan suhu saturasi uap, karena tahanan termal pada dinding pipa cenderung kecil dan menghilang. Oleh karena itu, penurunan suhu di dinding pipa akan sangat kecil. Gambar berikut menunjukkan analog listrik yang dibuat untuk tugas yang disederhanakan ini. Jari-jari isolasi dalam dan luar. Untuk menentukan radius kritis isolasi, kita akan bertindak sebagai berikut. Konduksi panas secara radial melalui bola berongga Gambar 1 Konduksi panas melalui bola berongga Membuat keseimbangan energi dalam elemen volume diferensial untuk menentukan persamaan diferensial yang sesuai.

Persamaan di atas adalah persamaan diferensial yang cocok untuk distribusi suhu dalam bola berongga. Dua kondisi batas yang terkait dengan masalah ini adalah sebagai berikut: karena semakin tebal isolator, semakin rendah laju perpindahan panas, karena luas dinding konstan, dan ketika diisolasi, itu meningkatkan tahanan termal tanpa meningkatkan tahanan konveksi. Tetapi sesuatu yang berbeda terjadi dengan silinder dan bola ketika Anda mengisolasinya. Proses pertukaran energi dalam bentuk panas antara benda yang berbeda atau antara berbagai bagian tubuh yang sama pada suhu yang berbeda.

Perpindahan panas selalu terjadi dari lebih Tubuh hangat menjadi lebih dingin, sebagai akibat dari Hukum Kedua Termodinamika. Perpindahan panas terjadi sampai benda dan lingkungannya mencapai kesetimbangan termal. Kalor berpindah secara konveksi, radiasi atau konduksi. Meskipun ketiga proses ini dapat terjadi secara bersamaan, mungkin terjadi bahwa satu mekanisme menang atas dua lainnya.

Radiasi elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan magnet, berosilasi dan tegak lurus satu sama lain, merambat melalui ruang, membawa energi dari satu tempat ke tempat lain. Tidak seperti konduksi dan konveksi, atau jenis gelombang lainnya, seperti suara, yang membutuhkan media bahan untuk merambat, radiasi elektromagnetik tidak bergantung pada materi untuk merambat; pada kenyataannya, transfer energi oleh radiasi lebih efisien dalam ruang hampa. Namun, kecepatan, intensitas dan arah aliran energi dipengaruhi oleh keberadaan materi.

Dengan demikian, gelombang ini dapat melewati ruang antarplanet dan antarbintang dan mencapai Bumi dari. Vulkanisme, aktivitas seismik, fenomena metamorfisme dan orogeni adalah beberapa fenomena yang dikendalikan oleh perpindahan dan pelepasan panas. Faktanya, keseimbangan panas Bumi mengontrol aktivitas di litosfer, di astenosfer, dan juga di bagian dalam planet.

Panas yang mencapai permukaan bumi memiliki dua sumber: bagian dalam planet dan matahari. Sebagian dari energi ini dikembalikan ke luar angkasa. Jika diasumsikan bahwa matahari dan biosfer mempertahankan suhu rata-rata di permukaan planet dengan fluktuasi kecil, maka panas yang berasal dari bagian dalam planet menentukan evolusi geologis planet ini, yaitu mengendalikan lempeng tektonik, magmatisme, pembentukan pegunungan, evolusi bagian dalam planet, termasuk medan magnetnya.

dia sifat fisik material dan merupakan ukuran kemampuan material untuk "menghantarkan" panas. Jika kita mempertimbangkan kasus satu dimensi, maka hukum Fourier ditulis. Jika fluks kalor dan suhu medium tidak berubah terhadap waktu, proses dianggap stasioner. Jika tidak ada panas dalam volume material, kita akan memilikinya. Dimana adalah densitas bahan. Ungkapan ini memungkinkan Anda untuk menghitung suhu pada titik-titik di dalam wilayah, tunduk pada pengenaan kondisi batas.

Kita dapat menerapkan persamaan ini untuk mencoba mempelajari sesuatu tentang distribusi suhu di dalam planet, menggunakan aliran dan suhu permukaan yang dikenal sebagai kondisi batas. Mengintegrasikan persamaan ini lagi memberi. Ekspresi terakhir ini dapat digunakan untuk menentukan perubahan suhu dengan kedalaman. Pertimbangkan, oleh karena itu, kasus Bumi, dengan asumsi bahwa panas diangkut terutama dengan konduksi. Kurva suhu-kedalaman disebut "panas bumi". Analisis gambar menunjukkan bahwa pada kedalaman lebih dari 100 km, mantel harus mengalami pencairan yang signifikan, sedangkan untuk kedalaman yang lebih besar dari 150 km, seluruh mantel harus mencair.

"Prediksi" ini tidak sesuai dengan informasi yang diperoleh dari studi perambatan gelombang seismik, jadi kita harus menyimpulkan bahwa model konduktivitas termal tidak memprediksi profil suhu di mantel dengan benar. Meskipun model penggeraknya tidak dalam memprediksi suhu di mantel atas, model ini menunjukkan keberhasilan yang signifikan ketika diterapkan pada bagian luar planet, yaitu. kerak bumi, di mana panas internal terutama dari peluruhan radioaktif dan diangkut ke permukaan, dengan mengemudi.

Kami akan kembali ke masalah ini ketika mempelajari aliran panas di benua. Pertimbangkan lapisan cairan yang dipanaskan di bagian bawah dan didinginkan di bagian atas. Ketika zat cair dipanaskan, massa jenisnya berkurang karena pemuaian. Dalam kasus yang dipertimbangkan, bagian atas lapisan cairan akan lebih dingin dan, oleh karena itu, lebih padat daripada yang lebih rendah. Situasi ini secara gravitasi tidak stabil, mencegah cairan cair mendingin, dan semakin memanas, semakin cepat arus konveksi muncul. Pergerakan fluida didorong oleh kekuatan pendorong.

Pertimbangkan, oleh karena itu, elemen fluida persegi panjang, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Gaya-gaya yang bekerja pada elemen fluida adalah: gaya akibat gradien tekanan, gaya gravitasi, dan gaya dorong. Untuk yang terakhir, kepadatan cairan harus diperhitungkan. Komponen vertikal dari gaya yang dihasilkan akan kemudian.

Meskipun isotop radioaktif ada dalam jumlah kecil di kerak bumi dan juga kurang umum di mantel, peluruhan alaminya menghasilkan sejumlah besar panas, seperti yang dapat dilihat dari tabel di sebelah kiri. Elemen terpenting dari proses ini adalah uranium, torium, dan kalium; dapat dilihat bahwa kontribusi uranium dan thorium lebih tinggi dari pada kalium.

Tabel berikut menyajikan konsentrasi unsur radioaktif dan pembangkitan termal beberapa batuan. Granit adalah batu yang melepaskan lebih banyak panas karena peluruhan bahan radioaktif karena memiliki konsentrasi tertinggi dari unsur-unsur ini. Pengukuran panas yang dihasilkan oleh kerak bumi saat ini dapat digunakan untuk menghitung panas yang dihasilkan di masa lalu. Di sisi lain, konsentrasi unsur radioaktif dapat digunakan dalam penanggalan batuan.

Tingkat peluruhan isotop radioaktif diberikan oleh rumus. Meskipun laju pembentukan panas di kerak bumi kira-kira dua kali lipat lebih tinggi dari mantel, laju produksi mantel harus diperhitungkan, karena volume mantel jauh lebih besar daripada volume kerak. Reaksi ini dilakukan di laboratorium pada suhu dan tekanan sesuai urutan batas inti-mantel.

Gambar tersebut menunjukkan distribusi aliran panas di sepanjang Bumi. Panas yang hilang melalui permukaan planet didistribusikan secara merata. Tabel berikut menunjukkan kontribusi utama: 73% panas hilang melalui lautan, yang membentuk 60% permukaan bumi. Sebagian besar panas hilang selama penciptaan dan pendinginan litosfer samudera, ketika bahan baru berangkat dari pegunungan tengah. Lempeng tektonik pada dasarnya terkait dengan pendinginan Bumi. Di sisi lain, tampaknya kecepatan rata-rata penciptaan dasar laut ditentukan oleh keseimbangan antara tingkat pembangkitan panas dan tingkat kehilangan keseluruhan yang sama suhu tinggi di seluruh permukaan planet.

Dalam model tektonik lempeng, kenaikan bahan mantel terjadi di punggungan laut. Bahan-bahan ini, ketika didinginkan, mengarah pada pembentukan kerak samudera baru. Saat bergerak menjauh dari zona menaik, kerak baru mendingin ke kedalaman yang luar biasa, membentuk pelat kaku yang lebih tebal dan lebih tebal.

Gambar berikut menunjukkan nilai fluks panas yang diamati sebagai fungsi dari usia litosfer samudera, serta nilai yang dihitung dari model teoretis. Mempertimbangkan apa yang dikatakan di paragraf sebelumnya, plot ini dapat diartikan sebagai mewakili nilai fluks sebagai fungsi jarak ke punggungan. Seperti dapat dilihat, fluks panas di dekat punggungan samudera memiliki nilai yang tinggi, menurun seiring dengan jarak dari zona menaik bahan mantel. Dengan membandingkan nilai yang diamati dengan nilai yang dihitung, diverifikasi bahwa fluks yang berasal dari model lebih tinggi daripada yang diamati di dekat punggungan.