Radyasyon formülü ile iletilen ısı akısı. Bu ısı akışıdır. B6 Karmaşık ısı transferi ve ısı transferi

Konveksiyonun genel etkisini ifade etmek için Newton'un soğutma yasasını kullanırız: = ℎ 6 3 - 47. Burada ısı transfer hızı, duvar ile sıvı arasındaki toplam sıcaklık farkı ve yüzey alanı ile ilgilidir. Radyasyon İletim ve taşınım mekanizmalarından farklı olarak, enerji maddesel bir ortamdan aktarıldığında, ısı da mükemmel bir vakumun olduğu alanlara aktarılabilir. Bu durumda, mekanizma elektromanyetik radyasyondur. Radyasyon dalgalı veya korpüsküler özellikler sergileyebilir.

Sıcaklık farkı sonucu yayılan elektromanyetik radyasyon; Buna termal radyasyon denir. Termodinamik değerlendirmeler ideal bir radyatörün veya siyah gövde vücudun mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılı bir oranda enerji yayacaktır. Denklem 5, termal radyasyonun Stefan-Boltzmann yasası olarak adlandırılır ve bunlar yalnızca siyah cisimlere uygulanabilir. Kararlı düz iletim duvarı. Önce Fourier yasasının doğrudan uygulanabileceği düz bir duvar düşünelim.

Şekil 3 tipik bir problemi ve analog devresini göstermektedir. Pirinç. 3 Birkaç silindirik kesimden tek boyutlu ısı akışı ve bunların elektriksel karşılığı. Sıcaklık sadece yarıçapın bir fonksiyonu olduğunda küresel sistemler de tek boyutlu olarak kabul edilebilir. kritik izolasyon Yalıtımın kritik yarıçapını göstermek için buhar tüpü. Diyelim ki enerji kaybını önlemek ve insanları yanıklardan korumak için yalıtmak istediğiniz bir buhar borunuz var. Buhar aşırı ısıtılmazsa, boruda bir miktar buhar yoğunlaşacaktır.

Boru yalıtımının yüzey sıcaklığı, boru duvarındaki termal direnç küçük olma eğiliminde olduğundan ve kaybolduğundan, buharın doyma sıcaklığına yaklaşık olarak eşittir. Bu nedenle, boru duvarı boyunca sıcaklık düşüşü çok küçük olacaktır. Aşağıdaki şekil, bu basitleştirilmiş görev için yapılmış bir elektrik analogunu göstermektedir. Yalıtımın iç ve dış yarıçapları. Yalıtımın kritik yarıçapını belirlemek için aşağıdaki gibi davranacağız. İçi boş bir küreden ısının radyal iletimi Şekil 1 İçi boş bir küreden ısının iletimi Karşılık gelen diferansiyel denklemi belirlemek için bir diferansiyel hacim elemanında bir enerji dengesi oluşturma.

Yukarıdaki denklem, içi boş bir küredeki sıcaklık dağılımı için uygun bir diferansiyel denklemdir. Bu problemle ilgili iki sınır koşulu şöyledir: yalıtkan kalınlaştıkça ısı transfer hızı düşer, duvar alanı sabit olduğundan ve yalıtıldığında konveksiyon direncini artırmadan ısıl direnci arttırır. Ama onu izole ettiğinizde silindirler ve kürelerde farklı bir şey olur. Farklı cisimler arasında veya arasında ısı şeklinde enerji alışverişi süreci. çeşitli parçalar Aynı vücut farklı sıcaklıklarda.

Isı transferi her zaman daha fazla ılık beden Termodinamiğin İkinci Yasasının bir sonucu olarak daha soğuk. Cisimler ve çevreleri ısıl dengeye ulaşana kadar ısı transferi gerçekleşir. Isı, konveksiyon, radyasyon veya iletim yoluyla aktarılır. Bu üç süreç aynı anda gerçekleşebilse de, bir mekanizma diğer ikisine üstün gelebilir.

Elektromanyetik radyasyon, salınım yapan ve birbirine dik olan, uzayda yayılan, bir yerden diğerine enerji taşıyan elektrik ve manyetik alanların birleşimidir. İletim ve konveksiyon veya ses gibi yayılmak için maddesel bir ortam gerektiren diğer dalga türlerinin aksine, elektromanyetik radyasyon yayılmak için maddeye bağlı değildir; aslında, radyasyonla enerji transferi bir boşlukta daha verimlidir. Ancak enerji akışının hızı, yoğunluğu ve yönü maddenin varlığından etkilenir.

Böylece bu dalgalar gezegenler arası ve yıldızlararası uzaydan geçerek Dünya'ya ulaşabilir. Volkanizma, sismik aktivite, metamorfizma ve orojenez fenomenleri, ısının taşınması ve serbest bırakılmasıyla kontrol edilen fenomenlerden bazılarıdır. Aslında, Dünya'nın ısı dengesi, litosferdeki, astenosferdeki ve ayrıca gezegenin içindeki aktiviteyi kontrol eder.

Dünya yüzeyine ulaşan ısının iki kaynağı vardır: gezegenin içi ve güneş. Bu enerjinin bir kısmı uzaya geri döner. Güneşin ve biyosferin gezegenin yüzeyindeki ortalama sıcaklığı küçük dalgalanmalarla koruduğu varsayılırsa, gezegenin içinden yayılan ısı gezegenin jeolojik evrimini belirler, yani levha tektoniğini kontrol eder, magmatizma, dağ sıralarının oluşumu, manyetik alanı da dahil olmak üzere gezegenin iç kısmının evrimi.

BT fiziksel özellik malzemedir ve bir malzemenin ısıyı "iletme" yeteneğinin bir ölçüsüdür. Tek boyutlu durumu ele alırsak, Fourier yasası yazılır. Ortamın ısı akısı ve sıcaklığı zamanla değişmezse, işlem durağan kabul edilir. Malzemenin hacminde ısı yoksa, sahip olacağız. Burada ρ malzemenin yoğunluğudur. Bu ifade, sınır koşullarının dayatılmasına bağlı olarak, bölge içindeki noktalardaki sıcaklığı hesaplamanıza olanak tanır.

Sınır koşulları olarak akış ve sıcaklık bilinen yüzeyleri kullanarak gezegen içindeki sıcaklık dağılımı hakkında bir şeyler öğrenmeye çalışmak için bu denklemi uygulayabiliriz. Bu denklemi tekrar entegre etmek verir. Bu son ifade, sıcaklıktaki derinlikle değişimi belirlemek için kullanılabilir. Bu nedenle, ısının esas olarak iletim yoluyla taşındığını varsayarak, Dünya'nın durumunu düşünün. Sıcaklık-derinlik eğrisine "jeotermal" denir. Şeklin bir analizi, 100 km'den daha büyük derinliklerde mantonun önemli ölçüde erimesi gerektiğini, 150 km'den fazla derinliklerde ise tüm mantonun erimesi gerektiğini göstermektedir.

Bu "tahminler" sismik dalga yayılımı çalışmasından elde edilen bilgilerle uyuşmamaktadır, bu nedenle termal iletkenlik modelinin mantodaki sıcaklık profilini doğru bir şekilde tahmin etmediği sonucuna varmalıyız. Sürüş modeli, üst mantodaki sıcaklığı tahmin etmede olmasa da, gezegenin dış kısmına, yani gezegene uygulandığında önemli bir başarıyı temsil ediyor. iç ısının esas olarak radyoaktif bozunmadan kaynaklandığı ve sürülerek yüzeye taşındığı yer kabuğu.

Kıtalardaki ısı akışını incelerken bu soruna geri döneceğiz. Altta ısıtılan ve üstte soğutulan bir sıvı tabakası düşünün. Bir sıvı ısıtıldığında genleşme nedeniyle yoğunluğu azalır. İncelenen durumda, sıvı katmanın üst kısmı daha soğuk ve dolayısıyla alttan daha yoğun olacaktır. Bu durum yerçekimsel olarak kararsızdır, sıvı sıvının soğumasını engeller ve ne kadar çok ısınırsa o kadar hızlı konveksiyon akımları ortaya çıkar. Bir akışkanın hareketi, itici kuvvetler tarafından yönlendirilir.

Bu nedenle, şekilde gösterildiği gibi dikdörtgen bir akışkan elemanı düşünün. Bir akışkan elemanına etki eden kuvvetler şunlardır: basınç gradyanından kaynaklanan kuvvetler, yerçekimi kuvveti ve itme kuvveti. İkincisi için, sıvının yoğunluğu dikkate alınmalıdır. Ortaya çıkan kuvvetin dikey bileşeni o zaman olacaktır.

Radyoaktif izotoplar yerkabuğunda az miktarda bulunmasına ve mantoda daha az yaygın olmasına rağmen, soldaki tablodan da görülebileceği gibi, doğal bozunması önemli miktarda ısı üretir. Bu sürecin en önemli unsurları uranyum, toryum ve potasyumdur; uranyum ve toryumun katkısının potasyumdan daha yüksek olduğu görülebilir.

Aşağıdaki tablo, radyoaktif elementlerin konsantrasyonunu ve bazı kayaların termal oluşumunu göstermektedir. Granit, bu elementlerin en yüksek konsantrasyonuna sahip olduğu için radyoaktif maddelerin çürümesi nedeniyle daha fazla ısı açığa çıkaran taştır. Yerkabuğunun şu anda ürettiği ısının ölçümü, geçmişte üretilen ısıyı hesaplamak için kullanılabilir. Öte yandan, radyoaktif elementlerin konsantrasyonu kaya yaşlandırmasında kullanılabilir.

Bir radyoaktif izotopun bozunma hızı formülle verilir. Yerkabuğundaki ısı üretim hızı mantodan yaklaşık iki kat daha yüksek olmasına rağmen, mantonun hacmi kabuğun hacminden çok daha büyük olduğu için manto üretim hızı dikkate alınmalıdır. Bu reaksiyon, laboratuarda çekirdek-manto ara yüzeyindekilerin sırasına göre sıcaklık ve basınçlarda gerçekleştirildi.

Şekil, Dünya boyunca ısı akışının dağılımını göstermektedir. Gezegenin yüzeyinden kaybolan ısı eşit olarak dağılır. Aşağıdaki tablo ana katkıları göstermektedir: Dünya yüzeyinin %60'ını oluşturan okyanuslar yoluyla ısının %73'ü kaybolmaktadır. Okyanus litosferinin oluşumu ve soğuması sırasında ısının çoğu kaybolur. yeni materyal orta sırtlardan ayrılır. Plaka tektoniği temel olarak Dünya'nın soğumasıyla ilgilidir. Öte yandan, öyle görünüyor ki ortalama sürat okyanus tabanının oluşumu, ısı üretim oranı ile aynı ısının toplam kayıp oranı arasındaki denge tarafından belirlenir. Yüksek sıcaklık gezegenin tüm yüzeyinde.

Plaka tektoniği modellerinde, manto malzemelerinin yükselişi okyanus sırtlarında meydana gelir. Bu malzemeler soğutulduğunda yeni okyanus kabuğunun oluşumuna yol açar. Yükselen bölgeden uzaklaşırken, yeni kabuk soğur. büyük derinlikler, daha kalın ve daha kalın bir sert plaka oluşturur.

Aşağıdaki şekil, okyanus litosferinin yaşının bir fonksiyonu olarak ısı akışının gözlemlenen değerlerini ve ayrıca teorik modelden hesaplanan değerleri göstermektedir. Bir önceki paragrafta söylenenler göz önüne alındığında, bu çizim, sırta olan mesafenin bir fonksiyonu olarak akı değerlerini temsil ettiği şeklinde yorumlanabilir. Görülebileceği gibi, okyanus sırtlarının yakınındaki ısı akısı, manto malzemelerinin yükselen bölgesinden uzaklaştıkça azalan yüksek değerlere sahiptir. Gözlenen değerler ile hesaplanan değerler karşılaştırılarak modellerden türetilen akıların mahya yakınında gözlenenlerden daha yüksek olduğu doğrulanır.