ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕПЛО
Принцип получения тепла очень простой – лучистая энергия солнечного излучения поглощается веществом и переходит в кинетическую энергию атомов вещества, которые при увеличении колебаний увеличивают свою температуру. Теплоту от нагретого тела можно передавать различными способами менее нагретому телу.
Процесс нагрева поясняется рисунком 3.8.
 |
Рисунок 3.8. Процесс нагрева
Поток лучистой энергии, поглощаемой каким либо приемником солнечного излучения, равен /2, 3, 8, 9/:
где РС – поток лучистой энергии, поглощаемый приемником солнечного излучения, Вт;
αПР – коэффициент поглощения поверхностью приемника солнечного излучения;
FПР – площадь освещаемой поверхности, м 2 ;
NПР – интенсивность солнечного излучения на приемник, Вт/м 2 .
Приемник солнечного излучения, нагреваясь до температуры, превышающей температуру окружающей среды, сам начинает отдавать тепло в окружающую среду. Поток отдачи тепла определяется по формуле /9/:
(3.5)
здесь ТПР – температура поверхности приемника, К;
ТОС – температура окружающей среды, К;
βПР – коэффициент теплоотдачи, Вт/К·м 2 ;
Rt – термическое сопротивление, К·с/Дж.
Результирующий поток тепла равен геометрической сумме потока лучистой энергии от Солнца и потока теплоотдачи в окружающую среду:
(3.6)
где ηСИ – коэффициент захвата солнечного излучения.
Как следует из (3.5) для более полного использования энергии солнечного излучения для нагрева приемника необходимо увеличивать коэффициент захвата солнечного излучения, то есть, увеличивать коэффициент поглощения солнечного излучения приемника и его термическое сопротивление. Последнее эквивалентно уменьшению коэффициента теплоотдачи. Эти условия учитываются при создании солнечных коллекторов – нагревательных устройств.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Вопросы § 63
Физика А.В. Перышкин
1.Какие группы объектов входят в Солнечную систему?
Центральное тело нашей планетной системы — Солнце — желтый карлик, сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134% вещества представлены девятью большими планетами и несколькими десятками их спутников (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами — астероидами (примерно 100 тысяч), кометами (около 10 11 объектов), огромным количеством мелких фрагментов — метеороидов и космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения превосходящей массы Солнца. Ряд зависимостей показывают принадлежность различных по величине и физико-химическим свойствам тел к единому семейству. Средняя плотность объектов Солнечной системы изменяется в пределах от 0,5 г/см 3 для ядер комет до 7,7 г/см 3 для металлических астероидов и метеоритов.
2. В какие виды энергии переходила гравитационная энергия сжатия протооблака при образовании Солнечной системы?
Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 5 млрд лет назад с гравитационного коллапса (т. е. катастрофически быстрого сжатия) небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах этот процесс можно описать следующим образом. Во вращающемся газопылевом облаке в результате взаимодействия его частиц или под действием каких-либо внешних влияний могло возникнуть уплотнение, ставшее центром гравитационного притяжения частиц окружающего вещества и вызвавшее гравитационный коллапс.
В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались. Из-за вращения облака его сжатие в направлении, параллельном оси вращения, происходило быстрее, чем в направлениях, перпендикулярных оси. Это приводило к уплощению облака и формированию характерного диска (рис. 168). При сжатии облака его плотность увеличивалась, движение частиц вещества становилось всё более интенсивным, особенно в центральной части диска. Как следствие увеличивалась внутренняя энергия и повышалась температура вещества. При температуре в несколько тысяч градусов атомы центральной части облака стали излучать свет, что свидетельствовало о возникновении протозвезды. — звезды в стадии образования.
Под действием гравитационного притяжения вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре.
Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов градусов, в центральной области началась термоядерная реакция превращения водорода в гелий, происходящая с выделением энергии. Протозвезда превратилась в обычную звезду, впоследствии названную Солнцем. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты.
3. Чем отличаются планеты земной группы от планет-гигантов? Чем эти отличия обусловлены?
Различия в составе вещества, образовавшего планеты, принадлежащие к разным группам, явились причиной различий их физических характеристик. Планеты земной группы обладают существенно меньшими размерами и массами, но большей плотностью. Они получают от Солнца больше света и тепла, быстрее движутся по орбитам (вследствие того, что внутренняя часть протопланетного диска вращалась быстрее внешней), гораздо медленнее вращаются вокруг своей оси и поэтому меньше сжаты у полюсов, чем планеты-гиганты. Планеты-гиганты имеют значительно большие размеры атмосферы и магнитосферы 1 , у них нет твёрдой или жидкой поверхности. Число естественных спутников у планет этой группы велико: 164 из 167 известных в Солнечной системе. Кроме того, у планет-гигантов есть образования из мелких частиц — кольца, которые отсутствуют у планет земной группы.
4. Почему планеты Солнечной системы не покидают её; не падают на Солнце?
Солнце огромными силами тяготения удерживает около себя Землю и все другие планеты Солнечной системы, не дает им улететь в космическое пространство. Странно, казалось бы, то, что Земля около себя удерживает Луну. Между всеми телами действуют силы тяготения, но не падают планеты на Солнце потому, что находятся в движении, в этом-то и секрет. Все падает вниз, на Землю: и капли дождя, и снежинки, и сорвавшийся с горы камень, и опрокинутая со стола чашка. А Луна? Она вращается вокруг Земли. Если бы не силы тяготения, она улетела бы по касательной к орбите, а если бы она вдруг остановилась, то упала бы на Землю. Луна, вследствие притяжения Земли, отклоняется от прямолинейного пути, все время как бы «падая» на Землю. Движение Луны происходит по некоторой дуге, и пока действует гравитация, Луна на Землю не упадет. Так же и с Землей — если бы она остановилась, то упала бы на Солнце, но этого не произойдет по той же причине. Два вида движения — одно под действием силы тяготения, другое по инерции — складываются и в результате дают криволинейное движение.
Закон всемирного тяготения, удерживающий в равновесии Вселенную, открыл английский ученый Исаак Ньютон. Когда он опубликовал свое открытие, люди говорили, что он сошел с ума.
Закон тяготения определяет не только движение Луны, Земли, но и всех небесных тел в Солнечной системе, а также искусственных спутников, орбитальных станций, межпланетных космических кораблей.
Источник
Тепло от Солнца
Тысячи измерений солнечных пульсаций позволили советским астрономам А. Б. Северному, В. А. Котову и Т. Т. Цапу сделать вывод об отсутствии у Солнца плотного ядра. А если у звезды нет ядра, то нет условий и для термоядерных процессов (см. так же статью «Химические реакции«). Из этого следует, что наше светило сжимается и расширяется со скоростью около 2 метров в секунду с периодом 160 минут. Установленно, что тепловое излучение Солнца имеет такой же период, а температура при этом изменяется на 1° С. Подтверждением гипотезы «Солнце — звезда переменная» служит изменяющийся с периодом в 160 минут блеск планеты Уран. В Геттингенской обсерватории (ФРГ) с 1972 по 1978 год проделали 246 измерений радиуса Солнца, который оказался равным 695 265 километрам (с точностью 0,01 процента).
В бесконечности Вселенной и в конечном атоме объем вещества крайне мал. Можно представить космос некоторой подвижной ажурной конструкцией из островов звездно-планетных систем в объемном океане силовых полей.
Солнечное тепло на Земле
Миллиарды лет планета Земля и другие планеты обогреваются теплом Солнца. И хотя до земной поверхности доходит лишь одна двухмиллиардная часть излучаемого светилом тепла, на каждый квадратный сантиметр поверхности суши и океана приходится в минуту 9,23 джоуля. Такое отопление эквивалентно сжиганию за три дня всех земных запасов нефти, газа, угля и дров. Если бы Солнце состояло из лучшего угля, оно выгорело бы за 20 тысяч лет. И неизвестно, что сгорает на Солнце. С 1925 года, когда было открыто превращение водорода в гелий, существует гипотеза: внутри Солнца ежесекундно 657 миллионов тонн водорода превращаются в 652,5 миллиона тонн гелия, а 4,5 миллиона тонн массы переходят в тепло. Но сегодня эту гипотезу принимают не все.
Сама Земля также представляет собой генератор тепла, По расчетам Е. А. Любимовой, земной запас тепла достигает 317*10 29 джоуля, примерно столько же планета потеряла за весь период своего существования.
На Солнце выявлено всего 72 элемента таблицы Д.И. Менделеева. На 1 000 000 атомов водорода там приходится 63 000 атомов гелия, кислорода 690, углерода 420, азота 87, кремния 45, магния 40, неона 37, железа 32, серы 16, кальция 2,2, никеля 1,9 и аргона 1. Бора, бериллия и лития на Солнце незначительное количество, что объясняется их выгоранием в ядерных реакциях.
Во Вселенной установилось устойчивое равновесие между энергиями магнитного поля, космических лучей и межзвездного газа. Галактическое магнитное поле, как в ловушке, удерживает космические лучи, и внутри Галактики потоки космических лучей идут на Землю со всех сторон. Солнце добавляет к этому излучению свою долю — солнечный ветер. Энергия всепроникающих космических лучей велика и, по мнению академика А. Б. Северного, порождается магнитными полями.
Источник
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