Почему в космосе холодно, если Солнце горячее?
Хоть Солнце и удалено на 150 миллионов км от нашей планеты, это не мешает ему дарить нам свое тепло ежедневно. Если даже на Земле температура доходит до +50°C и даже +60, зарегистрированных буквально в прошлом году в Кувейте, то что же происходит на более близком расстоянии к звезде? Но более интересно то, почему в космосе все равно холодно, если Солнце такое горячее? Об этом мы сегодня и поговорим.
Что такое тепло и температура
Для начала немного окунемся в матчасть, чтобы понять «откуда ноги растут». Первое, что нам нужно уяснить, это разница между словами «тепло» и «температура». Очень часто они используются как синонимы, но это не совсем правильно. Говоря простыми словами, тепло – это энергия. Она хранится как внутри Солнца, так и в нас с вами. А температура – измерение той самой энергии, способ вычислить, насколько теплый/холодный какой-нибудь объект или среда. Когда тепло покидает тело, его температура понижается.
«Выход» тепла из одного объекта и его переход в другой может осуществляться тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Проводимость характерна для твердых объектов. При нагревании более горячие частицы сталкиваются с более холодными и таким образом передают им тепло. Конвекция относится к газам и жидкостям. Вы наверняка знаете, что тепло не опускается, а поднимается. Именно поэтому в комнате под потолком всегда температура чуть выше, чем внизу. То же самое касается и поверхности воды, где заметно теплее, чем на дне. Это происходит благодаря конвекции. Молекулы жидкости или газа нагреваются и устремляются вверх. Там они вытесняют холодные молекулы, которые в свою очередь опускаются вниз.
Что такое тепло и температура
При излучении объект передает свое тепло в виде света. Возможно, для кого-то это станет открытием, но излучение характерно вообще для всего вокруг нас и для нас самих тоже. Люди также излучают тепло в форме инфракрасных волн. Увидеть это невооруженным глазом, конечно же, нельзя, но вот на тепловизоре – легко. Так работают различные приборы ночного видения и прочие инфракрасные камеры. Чем наблюдаемое тело горячее, тем больше тепла излучает и ярче светится на тепловизоре. Самым ярким примером (простите за каламбур) теплового излучения является наша звезда, которая отдает свое тепло всем планетам, вращающимся вокруг нее. Кому-то больше, кому-то меньше, но светит Солнце всем.
Если вы уловили все выше сказанное, то знайте, что мы уже близки к ответу на вопрос: «Почему в космосе холодно, если Солнце горячее?». Итак, для проводимости и конвекции необходимо определенное количество частиц, которые будут передавать тепло между собой, например, частицы воздуха в земной атмосфере. Но проблема космоса заключается в том, что там таких частиц крайне мало (и воздуха там нет, там вообще ничего нет, кроме вакуума), поэтому там эти два способа теплопередачи неэффективны от слова совсем.
Что же тогда остается? Правильно, излучение. Оно движется от Солнца и попадает на какой-либо объект, который начинает его поглощать. На Земле в этом случае сработала бы проводимость или конвекция, так как здесь есть достаточное для этого количество частиц материи, в нашем случае – воздуха. Но в космосе это не сработает, потому что в вакууме не хватает той самой материи, которая могла бы поглотить солнечное тепло и передать его другим объектам. Поэтому в космосе и холодно.
Почему в космосе холодно
Почему в тени так холодно
Как вам известно, в тени всегда прохладнее. Особенно сильно это заметно ночью, когда даже в летний период может быть достаточно холодно. Теперь вы знаете, что это объясняется отсутствием солнечного излучения в этой части планеты. Это полушарие просто повернуто в другую сторону – одно из доказательств того, что Земля круглая. Но сейчас не об этом.
Если в пределах нашей планеты во тьме температура падает на несколько градусов, то в космосе эта разница просто колоссальна. Вспомните тот же Меркурий, который невероятно горячий с одной стороны и дико холодный с другой. Но давайте для более наглядного примера возьмем что-нибудь поближе, например, Луну. Сторона нашего спутника, повернутая к Солнцу, нагревается до +127 градусов по Цельсию. В это время обратная сторона мерзнет при -173. Почему же такой же эффект не наблюдается на Земле? Все из-за атмосферы. Именно она равномерно распределяет солнечное излучение, обеспечивая нам постепенное снижение и увеличение температуры, а не резкое. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, температура на темном полушарии постепенно продолжила бы падать, а на светлом – повышаться.
Еще один известный пример – солнечный зонд Parker, который был отправлен изучать наше светило. Он использовал теплозащитный экран, чтобы не сгореть от солнечного излучения. И температура этого экрана повышалась до 120 градусов, а вот сам зонд, который за ним прятался, промерзал до -150.
Источник
Примеры использования энергии Солнца на Земле. Солнечные электростанции. Солнечная энергетика
Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.
Необходимость в солнечной энергии
Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.
Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.
«Работа» Солнца
Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.
Основной источник энергии
Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:
1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.
2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.
3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.
Принцип преобразования инфракрасных волн
Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.
При получении электрической энергии используются специальные фотоэлементы. Они принимают лучи света на свою поверхность. Далее солнечные установки производят из них электричество.
Практическое применение
Существуют многочисленные примеры использования энергии Солнца на Земле. Потребность человека в электроэнергии удовлетворяется благодаря применению новейших технологий. Где же используется этот природный источник?
2. Энергия Солнца находит свое применение в дымоходах и пассивных системах вентиляции, где происходит конвекция нагретого световыми волнами воздуха.
3. При помощи Солнца человек научился опреснять морскую воду. Испарителем при этом выступает небесное светило. Опресненная вода идет на нужды промышленности, сельского хозяйства, находит свое применение в быту.
4. Солнечная энергия помогает людям сушить и пастеризовать пищу.
5. Используется этот источник и в космосе. Благодаря энергии Солнца обеспечивается работоспособность спутников и межпланетных станций.
6. Самые простые и маломощные источники электрического тока, действие которых основано на использовании энергии солнечных лучей, – современные калькуляторы.
Новое направление энергетического комплекса
На сегодняшний день человечество внедряет в практику и успешно развивает устройства, позволяющие ему добывать свет и тепло без использования угля, нефти и газа. В народном хозяйстве многих государств возникла новая подотрасль – солнечная энергетика. Это одно из направлений нетрадиционной энергетики. В ее основе лежит принцип непосредственного использования излучения Солнца.
Цель, которую преследует солнечная энергетика, – получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого – Солнце.
Работа комплекса
Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.
География излучений небесного Светила
Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца – долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.
То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:
— странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
— жителям Аравийского полуострова;
— восточному побережью Африки;
— северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
— западному побережью Южной Америки.
Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.
Электростанции
Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.
Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.
Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них – частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.
Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:
— башенные;
— установки с фотоэлементами;
— тарельчатые;
— параболические;
— солнечно-вакуумные;
— смешанные.
Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.
При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.
Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.
Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.
Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.
Достоинства и недостатки солнечной энергетики
У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:
— экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
— доступность основных составляющих – фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
— неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
— постоянно снижающаяся себестоимость.
Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:
— влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
— необходимость в аккумулировании энергии;
— снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
— большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
— потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
— относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.
Перспективы развития
Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.
Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых – многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.
Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.
Источник