ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Εργαστηριακή Άσκηση: Μεταφορά Ενέργειας με Ακτινοβολία Σκοπός της Εργαστηριακής Άσκησης: Να προσδιοριστεί ο τρόπος με τον οποίο μεταλλικά κουτιά με επιφάνειες διαφορετικού χρώματος (μαύρο & άβαφο) είναι σε θέση να απορροφούν την ακτινοβολία από μια πηγή φωτός. Απαραίτητες Θεωρητικές Γνώσεις: Η Γη λαμβάνει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας από τον Ήλιο. Κάθε χρόνο, δέχεται περίπου 300.000.000.000.000.000.000.000kJ (ή 300 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια kj) ενέργεια. Η ενέργεια αυτή είναι απαραίτητη σε πολλές διεργασίες του πλανήτη μας. Για παράδειγμα, συμβάλλει στην δημιουργία των ανέμων και κυμάτων, δεσμεύεται από τα φυτά και μετατρέπεται σε χημική ενέργεια μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης, καθώς επίσης απορροφάται ως θερμική ενέργεια από τους ωκεανούς και τις ηπείρους. Όλη η ενέργεια η οποία προέρχεται από τον Ήλιο φτάνει στην Γη ως ηλιακή ακτινοβολία. Αυτή αποτελεί μέρος ενός μεγαλύτερου φάσματος ενέργειας το οποίο καλούμε ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ακτινοβολίας. Κάποιες μορφές της ηλιακής ακτινοβολίας μας είναι ήδη γνωστές, όπως το ορατό φως, το υπεριώδες και η θερμική ενέργεια (θερμότητα). Άλλες μορφές της ηλιακής ακτινοβολίας είναι τα ραδιοκύματα, οι ακτίνες Χ καθώς και οι ακτίνες γάμμα. Η ατμόσφαιρα, μας προστατεύει από τις ακτίνες Χ, τις ακτίνες γάμμα και το μεγαλύτερο μέρος τις υπεριώδους ακτινοβολίας που προέρχεται από τον Ήλιο, ενώ είναι διαπερατή στο ορατό φως καθώς και ορισμένα ραδιοκύματα. 1
Το παραπάνω σχήμα, παρουσιάζει το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα καθώς και τα σημεία στα οποία τα διάφορα μήκη κύματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μπορούν να διαπεράσουν την ατμόσφαιρα της Γης. Δηλαδή, η ατμόσφαιρα της Γης είναι σχετικά αδιαφανής και δεν αφήνει ορισμένα μήκη κύματος να την διαπεράσουν, όπως οι ακτίνες Χ και γάμμα, ενώ είναι διαφανής για άλλα, όπως το ορατό φως και ορισμένα ραδιοκύματα. Το ορατό φως είναι το μίγμα των χρωμάτων που μπορούμε να παρατηρήσουμε σε ένα ουράνιο τόξο ή το μοτίβο (φάσμα) που σχηματίζεται όταν το λευκό φως περνά μέσα από ένα πρίσμα και αναλύεται στα διάφορα χρώματα. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ταξιδεύει στο κενό με ταχύτητα περίπου 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και περιλαμβάνει διάφορα μήκη κύματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της ακτινοβολίας τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος. Για παράδειγμα, τα ραδιοκύματα έχουν πολύ μεγάλα μήκη κύματος (κυμαίνονται σε δεκάδες χιλιόμετρα) ενώ οι ακτίνες γάμμα πολύ μικρά (λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του εκατοστού). Όταν το έδαφος απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία, αυξάνει την ενέργεια του. Με δεδομένο ότι, κάθε αντικείμενο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, έτσι και το θερμό έδαφος εκπέμπει και αυτό ενέργεια. Ωστόσο, τα μήκη κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερα από ότι τα μήκη κύματος αυτής που απορροφάται. Γιατί όμως η εκπεμπόμενη ακτινοβολία έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος; Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο εξαρτάται από τη θερμοκρασία του. Το έδαφος έχει χαμηλότερη θερμοκρασία από 2
τον ήλιο με αποτέλεσμα, να εκπέμπει ακτινοβολία με μεγαλύτερο μήκος κύματος. Ένα μέρος της ακτινοβολίας αυτής, ανήκει στο ορατό φως και έτσι καθιστά το έδαφος ορατό, ενώ ένα άλλο μέρος της στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Η υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από το έδαφος, απορροφάται αποτελεσματικά, στα χαμηλότερα στρώματα της Γης, από το διοξείδιο του άνθρακα και τους υδρατμούς. Τα αέρια αυτά, καθώς απορροφούν την ενέργεια αυτή θερμαίνονται και επανεκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία προς τα υψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας καθώς και προς το έδαφος όπου απορροφάται εκ νέου από αυτό. Αντικείμενα τα οποία είναι καλές πηγές εκπομπής ακτινοβολίας τείνουν να είναι καλοί απορροφητές, όπως για παράδειγμα, η επιφάνεια του εδάφους που αναφέραμε προηγουμένως, είναι σε θέση τόσο να απορροφά, όσο και να εκπέμπει ακτινοβολία σε αντίθεση με τα αέρια, τα οποία εκπέμπουν και απορροφούν επιλεκτικά μήκη κύματος ακτινοβολίας. Υλικά και Εξοπλισμός που απαιτείται: 2 αισθητήρες θερμοκρασίας 2 μονωτικά προστατευτικά Λαμπτήρας πυρακτώσεως ή (μια λάμπα Ογκομετρικός κύλινδρος 150 W) 100 ml 2 μεταλλικά δοχεία νερό θερμοκρασίας δωματίου (0,5 L) Παρατηρήσεις για την ασφάλεια σας: Ακολουθήστε τις οδηγίες για τη χρήση του εξοπλισμού και κρατήστε το νερό μακριά από τις πρίζες! Ερώτηση (Πρόβλεψη): Όταν δύο δοχεία με νερό - ένα μαύρο και ένα άβαφο - είναι εκτεθειμένα σε μία λάμπα πυρακτώσεως, ποιά προβλέπετε να είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού στο κάθε δοχείο; Ποιο θα παρουσιάσει μεγαλύτερη αύξηση θερμοκρασίας από τα δύο; 3
Διαδικασία που θα ακολουθήσετε: Α. Εγκατάσταση αισθητήρα 1. Συνδέστε δύο αισθητήρες θερμοκρασίας στην πλατφόρμα σύνδεσης (GLX & SPARK). 2. Ανοίξτε την πλατφόρμα και ρυθμίστε τους δυο αισθητήρες έτσι ώστε να συλλέγουν δεδομένα κάθε 2 δευτερόλεπτα. 3. Πλοηγηθείτε στην επιλογή Graph Display και επιλέξτε Two Measurements έτσι ώστε να ρυθμίσετε και τους δύο αισθητήρες να καταγράφουν μετρήσεις ταυτόχρονα. Β. Εγκατάσταση εξοπλισμού 1. Τοποθετήστε τα δύο δοχεία πάνω στα μονωτικά προστατευτικά και κρατήστε τα μακριά από ρεύματα αέρα. 2. Γεμίστε κάθε δοχείο με ίση ποσότητα νερού (200 ml) σε θερμοκρασία δωματίου. Βάλτε τον έναν αισθητήρα θερμοκρασίας μέσα στο άβαφο και τον άλλο στο μαύρο δοχείο. 3. Τοποθετήστε το λαμπτήρα σε απόσταση 20 cm μπροστά και από τα δύο δοχεία. Βεβαιωθείτε ότι η λάμπα βρίσκεται σε ίση απόσταση από το κάθε ένα έτσι ώστε και τα δύο να εκτίθενται στην ίδια ποσότητα ακτινοβολίας. Γ. Καταγραφή δεδομένων 1. Ανάψτε τη λάμπα και πατήστε το πλήκτρο Start/Stop για να ξεκινήστε την καταγραφή των δεδομένων σας. 2. Καταγράψτε δεδομένα για 20 λεπτά. 3. Πατήστε πάλι το πλήκτρο Start/Stop για να σταματήστε την καταγραφή των δεδομένων. Δ. Ανάλυση: 1. Εξετάστε τα γραφήματα της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου για να καθορίσετε ποιο δοχείο είχε μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας. (Πώς θα ξέρετε ποιο μπορεί να απορροφήσει μεγαλύτερο ποσό ακτινοβολίας; Συμβουλή: Ελέγξτε την κλίση των καμπυλών στα γραφήματα σας). 2. Σύμφωνα με τα δεδομένα που καταγράψατε, σχεδιάστε ένα σκίτσο των γραφημάτων σας, μην ξεχάσετε να ονομάσετε τους άξονες (x,y). 4
Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα σύμφωνα με τις εξής ερωτήσεις: (α) Ποια ήταν η αρχική θερμοκρασία του νερού σε κάθε δοχείο; (β) Ποια ήταν η τελική θερμοκρασία του νερού στο μαύρο δοχείο; (γ) Ποια ήταν η τελική θερμοκρασία του νερού στο άβαφο δοχείο; Σύγκριση της απορρόφησης της ακτινοβολίας από ένα βαμμένο (μαύρο) έναντι ενός άβαφου κουτιού: Άβαφο κουτί( C) Βαμμένο κουτί( C) Αρχική θερμοκρασία Τελική θερμοκρασία Μεταβολή της θερμοκρασίας 5
Ερωτήσεις: Σύμφωνα με τα γραφήματα θερμοκρασίας χρόνου και τον πίνακα δεδομένων που συμπληρώσατε, ποιο δοχείο κατά την διάρκεια της καταγραφής των δεδομένων σας, φαίνεται να απορροφά πιο αποτελεσματικά την ακτινοβολία; Αιτιολογήστε την απάντησή σας χρησιμοποιώντας τα δεδομένα σας. Τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας επαληθεύουν την αρχική σας πρόβλεψη; Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να επιλέξετε χρώμα για τη στέγη ενός νέου σπιτιού και έχετε δύο επιλογές: σκούρο γκρι ή ανοιχτό γκρι. Ποιο θα επιλέξετε εάν θέλετε να κρατήσετε το σπίτι σας δροσερό το καλοκαίρι; Γιατί; Γιατί το καλοκαίρι νιώθουμε την άσφαλτο θερμότερη από ότι μια γειτονική περιοχή με γρασίδι; 6