Siltuma plūsma, ko pārraida starojuma formula. Šī ir siltuma plūsma. B6 Sarežģīta siltuma pārnese un siltuma pārnese

Lai izteiktu kopējo konvekcijas efektu, mēs izmantojam Ņūtona dzesēšanas likumu: = ℎ 6 3 - 47. Šeit siltuma pārneses ātrums ir saistīts ar kopējo temperatūras starpību starp sienu un šķidrumu un virsmas laukumu. Radiācija Atšķirībā no vadīšanas un konvekcijas mehānismiem, kad enerģija tiek pārnesta caur materiālu vidi, siltumu var pārnest arī uz vietām, kur ir ideāls vakuums. Šajā gadījumā mehānisms ir elektromagnētiskais starojums. Radiācijai var būt viļņotas vai korpuskulāras īpašības.

elektromagnētiskais starojums, kas izplatās temperatūras starpības rezultātā; To sauc par termisko starojumu. Termodinamiskie apsvērumi liecina, ka ideāls radiators vai melns korpuss izstaros enerģiju ar ātrumu, kas ir proporcionāls ķermeņa absolūtās temperatūras ceturtajai pakāpei. 5. vienādojumu sauc par Stefana-Bolcmaņa termiskā starojuma likumu, un tie ir piemērojami tikai melnajiem ķermeņiem. Stabila plakana vadītspējas siena. Vispirms apskatīsim plakanu sienu, kur var tieši piemērot Furjē likumu.

3. attēlā parādīta tipiska problēma un tās analogā shēma. Rīsi. 3 Viendimensijas siltuma plūsma caur vairākiem cilindriskiem griezumiem un to elektrisko ekvivalentu. Sfēriskās sistēmas var uzskatīt arī par viendimensionālām, ja temperatūra ir tikai rādiusa funkcija. kritiska izolācija. Tvaika caurule, lai ilustrētu izolācijas kritisko rādiusu. Pieņemsim, ka jums ir tvaika caurule, kuru vēlaties izolēt, lai novērstu enerģijas zudumus un pasargātu cilvēkus no apdegumiem. Ja tvaiks nav pārkarsēts, daļa tvaika kondensējas caurulē.

Izolācijas caurules virsmas temperatūra ir aptuveni vienāda ar tvaika piesātinājuma temperatūru, jo siltuma pretestība pie caurules sienas mēdz būt maza un pazūd. Tāpēc temperatūras kritums pāri caurules sienai būs ļoti mazs. Nākamajā attēlā parādīts elektriskais analogs, kas izveidots šim vienkāršotajam uzdevumam. Izolācijas iekšējais un ārējais rādiuss. Lai noteiktu izolācijas kritisko rādiusu, mēs rīkosimies šādi. Radiālā siltuma vadīšana caur dobu sfēru 1. attēls Siltuma vadīšana caur dobu sfēru Enerģijas bilances izveidošana diferenciālā tilpuma elementā, lai noteiktu atbilstošo diferenciālvienādojumu.

Iepriekš minētais vienādojums ir piemērots diferenciālvienādojums temperatūras sadalījumam dobā sfērā. Ar šo problēmu saistītie divi robežnosacījumi ir šādi: jo biezāks ir izolators, jo mazāks ir siltuma pārneses ātrums, jo sienas laukums ir nemainīgs, un, kad tā ir izolēta, tas palielina siltuma pretestību, nepalielinot konvekcijas pretestību. Taču ar cilindriem un sfērām, tos izolējot, notiek kaut kas savādāk. Enerģijas apmaiņas process siltuma veidā starp dažādiem ķermeņiem vai starp dažādas daļas viens un tas pats ķermenis dažādās temperatūrās.

Siltuma pārnese vienmēr notiek no vairāk silts ķermenis uz aukstāku, Otrā termodinamikas likuma rezultātā. Siltuma pārnese notiek, līdz ķermeņi un to apkārtne sasniedz termisko līdzsvaru. Siltums tiek pārnests ar konvekciju, starojumu vai vadīšanu. Lai gan šie trīs procesi var notikt vienlaikus, var gadīties, ka viens mehānisms dominē pār pārējiem diviem.

Elektromagnētiskais starojums ir elektrisko un magnētisko lauku kombinācija, kas svārstās un ir perpendikulāri viens otram, izplatās telpā, pārnesot enerģiju no vienas vietas uz otru. Atšķirībā no vadīšanas un konvekcijas vai cita veida viļņiem, piemēram, skaņas, kuru izplatībai ir nepieciešama materiāla vide, elektromagnētiskais starojums nav atkarīgs no izplatāmās vielas; patiesībā enerģijas pārnešana ar starojumu ir efektīvāka vakuumā. Taču enerģijas plūsmas ātrumu, intensitāti un virzienu ietekmē matērijas klātbūtne.

Tādējādi šie viļņi var iziet cauri starpplanētu un starpzvaigžņu telpai un sasniegt Zemi no. Vulkānisms, seismiskā aktivitāte, metamorfisma un oroģenēzes parādības ir dažas no parādībām, kuras kontrolē siltuma transportēšana un izdalīšanās. Faktiski Zemes siltuma bilance kontrolē darbību litosfērā, astenosfērā un arī planētas iekšpusē.

Siltumam, kas sasniedz Zemes virsmu, ir divi avoti: planētas iekšpuse un saule. Daļa šīs enerģijas tiek atgriezta kosmosā. Ja pieņem, ka saule un biosfēra uztur vidējo temperatūru uz planētas virsmas ar nelielām svārstībām, tad siltums, kas izplūst no planētas iekšpuses, nosaka planētas ģeoloģisko evolūciju, tas ir, kontrolē plātņu tektoniku, magmatisms, kalnu grēdu rašanās, planētas iekšējās daļas evolūcija, ieskaitot tās magnētisko lauku.

to fiziskais īpašums materiāls un ir materiāla spējas "vadīt" siltumu mērs. Ja ņemam vērā viendimensionālo gadījumu, tad ir uzrakstīts Furjē likums. Ja vides siltuma plūsma un temperatūra laika gaitā nemainās, process tiek uzskatīts par nekustīgu. Ja materiāla tilpumā nav siltuma, mums būs. Kur ρ ir materiāla blīvums. Šī izteiksme ļauj aprēķināt temperatūru reģiona punktos, ievērojot robežnosacījumus.

Mēs varam izmantot šo vienādojumu, lai mēģinātu uzzināt kaut ko par temperatūras sadalījumu planētas iekšienē, izmantojot zināmās virsmas plūsmas un temperatūras robežnosacījumus. Šī vienādojuma integrēšana vēlreiz dod. Šo pēdējo izteiksmi var izmantot, lai noteiktu temperatūras izmaiņas atkarībā no dziļuma. Tāpēc apsveriet Zemes gadījumu, pieņemot, ka siltums tiek transportēts galvenokārt ar vadītspēju. Temperatūras dziļuma līkni sauc par "ģeotermālo". Attēla analīze parāda, ka dziļumā, kas lielāks par 100 km, mantijai ir jābūt nozīmīgai kušanai, savukārt dziļumā, kas pārsniedz 150 km, ir jāizkūst visai mantijai.

Šīs "prognozes" nesaskan ar informāciju, kas iegūta, pētot seismisko viļņu izplatību, tāpēc jāsecina, ka siltumvadītspējas modelis nepareizi prognozē temperatūras profilu mantijā. Pat ja braukšanas modelis neparedz temperatūru augšējā apvalkā, tas ir ievērojams panākums, ja to izmanto planētas ārējai daļai, t.i. zemes garoza, kur iekšējais siltums galvenokārt rodas no radioaktīvās sabrukšanas un tiek transportēts uz virsmu, braucot.

Mēs atgriezīsimies pie šīs problēmas, pētot siltuma plūsmu kontinentos. Apsveriet šķidruma slāni, kas tiek uzkarsēts apakšā un atdzesēts augšpusē. Sildot šķidrumu, tā blīvums samazinās izplešanās dēļ. Izskatāmajā gadījumā šķidruma slāņa augšējā daļa būs vēsāka un līdz ar to blīvāka nekā apakšējā. Šī situācija ir gravitācijas ziņā nestabila, neļaujot šķidrajam šķidrumam atdzist, un jo vairāk tas uzsilst, jo ātrāk rodas konvekcijas strāvas. Šķidruma kustību virza virzošie spēki.

Tāpēc apsveriet taisnstūrveida šķidruma elementu, kā parādīts attēlā. Spēki, kas iedarbojas uz šķidruma elementu, ir: spēki, ko rada spiediena gradients, gravitācijas spēks un vilces spēks. Attiecībā uz pēdējo jāņem vērā šķidruma blīvums. Iegūtā spēka vertikālā sastāvdaļa būs tad.

Lai gan radioaktīvie izotopi Zemes garozā ir nelielos daudzumos un arī mantijā ir mazāk sastopami, to dabiskā sabrukšana rada ievērojamu daudzumu siltuma, kā redzams no tabulas kreisajā pusē. Svarīgākie šī procesa elementi ir urāns, torijs un kālijs; var redzēt, ka urāna un torija devums ir lielāks nekā kālijam.

Nākamajā tabulā parādīta radioaktīvo elementu koncentrācija un dažu iežu termiskā veidošanās. Granīts ir akmens, kas radioaktīvo materiālu sabrukšanas dēļ izdala vairāk siltuma, jo tajā ir visaugstākā šo elementu koncentrācija. Zemes garozas radītā siltuma mērījumus pašlaik var izmantot, lai aprēķinātu agrāk saražoto siltumu. Savukārt iežu datēšanā var izmantot radioaktīvo elementu koncentrāciju.

Radioaktīvā izotopa sabrukšanas ātrumu nosaka pēc formulas. Lai gan siltuma veidošanās ātrums Zemes garozā ir par aptuveni divām kārtām lielāks nekā mantijā, mantijas veidošanās ātrums ir jāņem vērā, jo mantijas tilpums ir daudz lielāks par garozas tilpumu. Šī reakcija tika veikta laboratorijā temperatūrā un spiedienā, kas atbilst tiem, kas atrodas pie serdes un apvalka robežas.

Attēlā parādīts siltuma plūsmas sadalījums pa Zemi. Caur planētas virsmu zaudētais siltums ir vienmērīgi sadalīts. Nākamajā tabulā parādīti galvenie ieguldījumi: 73% siltuma tiek zaudēti caur okeāniem, kas veido 60% no Zemes virsmas. Lielākā daļa siltuma tiek zaudēta okeāna litosfēras veidošanās un dzesēšanas laikā, kad jauns materiāls atkāpjas no vidējām grēdām. Plātņu tektonika būtībā ir saistīta ar Zemes atdzišanu. No otras puses, šķiet, ka Vidējais ātrums okeāna dibena veidošanos nosaka līdzsvars starp siltuma ģenerēšanas ātrumu un kopējo siltuma zuduma ātrumu paaugstināta temperatūra pa visu planētas virsmu.

Plākšņu tektonikas modeļos mantijas materiālu pacelšanās notiek pie okeāna grēdām. Šie materiāli atdzesēti izraisa jaunas okeāna garozas veidošanos. Atkāpjoties no augšupejošās zonas, jaunā garoza atdziest līdz lieli dziļumi, veidojot biezāku un biezāku stingru plāksni.

Nākamajā attēlā parādītas novērotās siltuma plūsmas vērtības kā okeāna litosfēras vecuma funkcija, kā arī vērtības, kas aprēķinātas pēc teorētiskā modeļa. Ņemot vērā iepriekšējā punktā teikto, šo diagrammu var interpretēt kā plūsmas vērtības kā attāluma līdz grēdai funkciju. Kā redzams, siltuma plūsmai pie okeāna grēdām ir augstas vērtības, kas samazinās līdz ar attālumu no mantijas materiālu augšupejošās zonas. Salīdzinot novērotās vērtības ar aprēķinātajām vērtībām, tiek pārbaudīts, ka no modeļiem iegūtās plūsmas ir lielākas nekā tās, kas novērotas kores tuvumā.