Fluxul de căldură transmis prin formula de radiație. Acesta este fluxul de căldură. B6 Transfer complex de căldură și transfer de căldură

Pentru a exprima efectul general al convecției, folosim legea de răcire a lui Newton: = ℎ 6 3 - 47. Aici, viteza de transfer de căldură este legată de diferența totală de temperatură dintre perete și fluid și de aria suprafeței. Radiația Spre deosebire de mecanismele de conducție și convecție, atunci când energia este transferată printr-un mediu material, căldura poate fi transferată și în zonele în care există un vid perfect. În acest caz, mecanismul este radiația electromagnetică. Radiația poate prezenta proprietăți ondulate sau corpusculare.

Radiația electromagnetică care se propagă ca urmare a diferenței de temperatură; Aceasta se numește radiație termică. Consideraţiile termodinamice arată că un radiator ideal sau corp negru va radia energie cu o rată proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute a corpului. Ecuația 5 se numește legea Stefan-Boltzmann a radiației termice și sunt aplicabile numai corpurilor negre. Perete plat stabil de conducere. Să considerăm mai întâi un perete plat în care se poate face o aplicare directă a legii lui Fourier.

Figura 3 prezintă o problemă tipică și circuitul său analogic. Orez. 3 Flux de căldură unidimensional prin mai multe tăieturi cilindrice și omologul lor electric. Sistemele sferice pot fi considerate și unidimensionale atunci când temperatura este doar o funcție a razei. izolare critică. Tub de abur pentru a ilustra raza critică a izolației. Să presupunem că aveți o conductă de abur pe care doriți să o izolați pentru a preveni pierderea de energie și pentru a proteja oamenii de arsuri. Dacă aburul nu este supraîncălzit, o parte din abur se va condensa în conductă.

Temperatura de suprafață a conductei de izolație este aproximativ egală cu temperatura de saturație a aburului, deoarece rezistența termică la peretele conductei tinde să fie mică și dispare. Prin urmare, scăderea temperaturii pe peretele conductei va fi foarte mică. Figura următoare prezintă un analog electric construit pentru această sarcină simplificată. Razele interioare și exterioare ale izolației. Pentru a determina raza critică a izolației, vom acționa după cum urmează. Conducerea radială a căldurii printr-o sferă goală Figura 1 Conducerea căldurii printr-o sferă goală Crearea unui bilanț energetic într-un element de volum diferențial pentru a determina ecuația diferențială corespunzătoare.

Ecuația de mai sus este o ecuație diferențială adecvată pentru distribuția temperaturii într-o sferă goală. Cele două condiții la limită asociate cu această problemă sunt următoarele: cu cât izolatorul este mai gros, cu atât rata de transfer de căldură este mai mică, deoarece zona peretelui este constantă, iar atunci când este izolat, crește rezistența termică fără a crește rezistența la convecție. Dar ceva diferit se întâmplă cu cilindrii și sferele atunci când îl izolezi. Procesul de schimb de energie sub formă de căldură între diferite corpuri sau între diverse părți același corp la temperaturi diferite.

Transferul de căldură are loc întotdeauna de la mai multe corp cald la rece, ca urmare a celei de-a doua legi a termodinamicii. Transferul de căldură are loc până când corpurile și împrejurimile lor ating echilibrul termic. Căldura este transferată prin convecție, radiație sau conducție. Deși aceste trei procese pot avea loc simultan, se poate întâmpla ca un mecanism să prevaleze asupra celorlalte două.

Radiația electromagnetică este o combinație de câmpuri electrice și magnetice, oscilante și perpendiculare între ele, care se propagă prin spațiu, transportând energie dintr-un loc în altul. Spre deosebire de conducție și convecție sau alte tipuri de unde, cum ar fi sunetul, care au nevoie de un mediu material pentru a se propaga, radiația electromagnetică nu depinde de materie care se propagă; de fapt, transferul de energie prin radiație este mai eficient în vid. Cu toate acestea, viteza, intensitatea și direcția fluxului de energie este afectată de prezența materiei.

Astfel, aceste unde pot trece prin spațiul interplanetar și interstelar și pot ajunge pe Pământ din. Vulcanismul, activitatea seismică, fenomenele de metamorfism și orogeneză sunt câteva dintre fenomenele care sunt controlate de transportul și degajarea căldurii. De fapt, echilibrul termic al Pământului controlează activitatea în litosferă, în astenosferă și, de asemenea, în interiorul planetei.

Căldura care ajunge la suprafața Pământului are două surse: interiorul planetei și soarele. O parte din această energie este returnată în spațiu. Dacă se presupune că soarele și biosfera mențin temperatura medie pe suprafața planetei cu mici fluctuații, atunci căldura emanată din interiorul planetei determină evoluția geologică a planetei, adică controlează tectonica plăcilor, magmatismul, generarea lanțurilor muntoase, evoluția părții interioare a planetei, inclusiv câmpul magnetic al acesteia.

aceasta proprietate fizică material și este o măsură a capacității unui material de a „conduce” căldura. Dacă luăm în considerare cazul unidimensional, atunci se scrie legea Fourier. Dacă fluxul de căldură și temperatura mediului nu se modifică în timp, procesul este considerat staționar. Dacă nu există căldură în volumul de material, vom avea. Unde ρ este densitatea materialului. Această expresie vă permite să calculați temperatura în puncte din regiune, sub rezerva impunerii unor condiții de limită.

Putem aplica această ecuație pentru a încerca să aflăm ceva despre distribuția temperaturii în interiorul planetei, folosind debitul și temperatura suprafețele cunoscute ca condiții de limită. Integrarea acestei ecuații dă din nou. Această ultimă expresie poate fi folosită pentru a determina modificarea temperaturii cu adâncimea. Luați în considerare, așadar, cazul Pământului, presupunând că căldura este transportată în principal prin conducție. Curba temperatură-adâncime se numește „geotermă”. O analiză a figurii arată că, la adâncimi mai mari de 100 km, mantaua trebuie să aibă o topire semnificativă, în timp ce pentru adâncimi mai mari de 150 km, întreaga manta trebuie să se topească.

Aceste „predicții” nu sunt de acord cu informațiile obținute din studiul propagării undelor seismice, așa că trebuie să concluzionăm că modelul de conductivitate termică nu prezice corect profilul temperaturii în manta. Chiar dacă modelul de conducere nu este în prezicerea temperaturii în mantaua superioară, acesta reprezintă un succes semnificativ atunci când este aplicat pe partea exterioară a planetei, de exemplu. scoarța terestră, unde căldura internă este în principal din degradarea radioactivă și transportată la suprafață, prin conducere.

Vom reveni la această problemă când vom studia fluxul de căldură de pe continente. Luați în considerare un strat de lichid încălzit în partea de jos și răcit în partea de sus. Când un lichid este încălzit, densitatea acestuia scade din cauza expansiunii. În cazul în cauză, partea superioară a stratului lichid va fi mai rece și, prin urmare, mai densă decât cea inferioară. Această situație este instabilă gravitațional, împiedicând răcirea lichidului lichid și, cu cât se încălzește mai mult, cu atât apar curenți de convecție mai rapizi. Mișcarea unui fluid este condusă de forțele motrice.

Luați în considerare, prin urmare, un element fluid dreptunghiular, așa cum se arată în figură. Forțele care acționează asupra unui element fluid sunt: ​​forțele datorate gradientului de presiune, forța gravitațională și forța de împingere. Pentru acesta din urmă trebuie luată în considerare densitatea lichidului. Componenta verticală a forței rezultate va fi atunci.

Deși izotopii radioactivi există în cantități mici în scoarța terestră și sunt, de asemenea, mai puțin abundenți în manta, descompunerea lor naturală produce o cantitate semnificativă de căldură, așa cum se poate observa din tabelul din stânga. Cele mai importante elemente ale acestui proces sunt uraniul, toriu și potasiul; se poate observa că aportul uraniului și toriului este mai mare decât cel al potasiului.

Următorul tabel prezintă concentrația elementelor radioactive și generarea termică a unor roci. Granitul este piatra care eliberează mai multă căldură din cauza degradarii materialelor radioactive, deoarece are cea mai mare concentrație a acestor elemente. Măsurarea căldurii generate de scoarța terestră în prezent poate fi utilizată pentru a calcula căldura generată în trecut. Pe de altă parte, concentrația de elemente radioactive poate fi utilizată în datarea rocilor.

Rata de descompunere a unui izotop radioactiv este dată de formula. Deși rata de generare a căldurii în scoarța terestră este cu aproximativ două ordine de mărime mai mare decât cea a mantalei, trebuie luată în considerare rata de producție a mantalei, deoarece volumul mantalei este mult mai mare decât volumul scoarței. Această reacție a fost efectuată în laborator la temperaturi și presiuni de ordinul celor de la interfața miez-manta.

Figura arată distribuția fluxului de căldură de-a lungul Pământului. Căldura pierdută prin suprafața planetei este distribuită uniform. Următorul tabel prezintă principalele contribuții: 73% din căldură se pierde prin oceane, care alcătuiesc 60% din suprafața Pământului. Cea mai mare parte a căldurii se pierde în timpul creării și răcirii litosferei oceanice, când material nou pleacă de pe crestele mijlocii. Tectonica plăcilor este legată în mod fundamental de răcirea Pământului. Pe de altă parte, se pare că viteza medie crearea fundului oceanic este determinată de echilibrul dintre rata de generare a căldurii și rata totală de pierdere a acestuia. temperatura ridicata pe întreaga suprafață a planetei.

În modelele tectonicei plăcilor, ascensiunea materialelor de manta are loc pe crestele oceanelor. Aceste materiale, atunci când sunt răcite, duc la formarea unei noi cruste oceanice. Când se îndepărtează de zona ascendentă, noua crustă se răcește până la adâncimi mari, formând o placă rigidă din ce în ce mai groasă.

Figura următoare prezintă valorile observate ale fluxului de căldură în funcție de vârsta litosferei oceanice, precum și valorile calculate din modelul teoretic. Având în vedere paragraful anterior, această diagramă poate fi interpretată ca reprezentând valorile fluxului în funcție de distanța până la creastă. După cum se poate observa, fluxul de căldură în apropierea crestelor oceanice are valori ridicate, scăzând cu distanța față de zona ascendentă a materialelor mantalei. Prin compararea valorilor observate cu valorile calculate se verifica ca fluxurile derivate din modele sunt mai mari decat cele observate in apropierea crestei.