Διάδοση Θερμότητας. (Αγωγή / Μεταφορά με τη βοήθεια ρευμάτων / Ακτινοβολία)



Σχετικά έγγραφα
ΤΡΟΠΟΙ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Είναι τρείς και σχηματικά φαίνονται στο σχήμα

ΠΕΙΡΑΜΑ 4: ΑΓΩΓΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΕ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΠΙΤΙΟΥ [1] ΑΡΧΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ

Φαινόμενα Μεταφοράς Μάζας θερμότητας

Εισαγωγή στην Μεταφορά Θερμότητας

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ

ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ. Καθηγητής Δ. Ματαράς

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ

Θερμοκρασία - Θερμότητα. (Θερμοκρασία / Θερμική διαστολή / Ποσότητα θερμότητας / Θερμοχωρητικότητα / Θερμιδομετρία / Αλλαγή φάσης)

9 η ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ

3ο Εργαστήριο: Ρύθμιση και έλεγχος της θερμοκρασίας μιας κτηνοτροφικής μονάδας

Στις ερωτήσεις A1 - A4, να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και δίπλα σε κάθε αριθμό το γράμμα που αντιστοιχεί στη σωστή απάντηση.

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ. Εκπέμπεται από σώματα που έχουν θερμοκρασία Τ > 0 Κ. Χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος η τη συχνότητα

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ

Εργαστηριακή Άσκηση 30 Μέτρηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας υλικών.

4Q m 2c Δθ 2m = 4= Q m c Δθ m. m =2m ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ

Πληροφορίες για τον Ήλιο:

ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Θερμότητα. Κ.-Α. Θ. Θωμά

Εξετάσεις Φυσικής για τα τμήματα Βιοτεχνολ. / Ε.Τ.Δ.Α Ιούνιος 2014 (α) Ονοματεπώνυμο...Τμήμα...Α.Μ...

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Ανάλυση: όπου, με αντικατάσταση των δεδομένων, οι ζητούμενες απώλειες είναι: o C. 4400W ή 4.4kW 0.30m Συζήτηση: ka ka ka dx x L

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

ΤΕΙ Καβάλας, Τμήμα Δασοπονίας και Διαχείρισης Φυσικού Περιβάλλοντος Μάθημα Μετεωρολογίας-Κλιματολογίας Υπεύθυνη : Δρ Μάρθα Λαζαρίδου Αθανασιάδου

Εργαστήριο ΑΠΕ I. Ενότητα 3: Ηλιακοί Συλλέκτες: Μέρος Α. Πολυζάκης Απόστολος / Καλογήρου Ιωάννης / Σουλιώτης Εμμανουήλ

Φυσική για Μηχανικούς

Εκπομπή Φωτός Απορρόφηση φωτός

Διάλεξη 2. Ηλεκτροτεχνία Ι. Κυκλώματα συνεχούς και Ηλεκτρομαγνητισμός. Α. Δροσόπουλος

Συνοπτική Παρουσίαση Σχέσεων για τον Προσδιορισμό του Επιφανειακού Συντελεστή Μεταφοράς της Θερμότητας.

Κεφάλαιο 20. Θερμότητα

Μεταφορά Ενέργειας με Ακτινοβολία

Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only. ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΥΓΡΟΥ

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ

Χειμερινό εξάμηνο

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Μετάδοση Θερμότητας

Ακτίνες Χ (Roentgen) Κ.-Α. Θ. Θωμά

4.1 Εισαγωγή. Μετεωρολογικός κλωβός

ηλεκτρικό ρεύμα ampere

Διάδοση θερμότητας 3 μηχανισμοί

Φυσική για Μηχανικούς

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 2 ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Υπεύθυνη για τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Εξατμίζει μεγάλες μάζες νερού. Σχηματίζει και διαμορφώνει το κλίμα της γης.

1. Ρεύμα επιπρόσθετα

ΟΡΟΣΗΜΟ ΘΕΜΑ Δ. Δίνονται: η ταχύτητα του φωτός στο κενό c 0 = 3 10, η σταθερά του Planck J s και για το φορτίο του ηλεκτρονίου 1,6 10 C.

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο. 11 Μαΐου 2006

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ I Ασκήσεις

ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ. Δρ. Λυκοσκούφης Ιωάννης

Επαφές μετάλλου ημιαγωγού

γ ρ α π τ ή ε ξ έ τ α σ η σ τ ο μ ά θ η μ α Φ Υ Σ Ι Κ Η Γ Ε Ν Ι Κ Η Σ Π Α Ι Δ Ε Ι Α Σ B Λ Υ Κ Ε Ι Ο Υ

Φυσική για Μηχανικούς

Η Φυσική των ζωντανών Οργανισμών (10 μονάδες)

Μηχανισµοί διάδοσης θερµότητας

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Ο πυκνωτής είναι μια διάταξη αποθήκευσης ηλεκτρικού φορτίου, επομένως και ηλεκτρικής ενέργειας.

6.2.2 Χαρακτηριστικά κεραιών 1 / 18

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Β και Γ ΛΥΚΕΙΟΥ.

2 Μετάδοση θερμότητας με εξαναγκασμένη μεταφορά

Ακτίνες Χ. Θέμα Δ. Για διευκόλυνση στους υπολογισμούς σας να θεωρήσετε ότι: hc J m

Φυσική για Μηχανικούς

(1) ταχύτητα, v δεδομένη την πιο πάνω κατανομή θερμοκρασίας; 6. Γιατί είναι σωστή η προσέγγιση του ερωτήματος [2]; Ποια είναι η

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ-2 Υ: ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ

7 Η ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ. 1. Α/Α Μετατροπή. 2. Οι μαθητές θα πρέπει να μετρήσουν τη μάζα

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ

Εργαστηριακή Άσκηση 8 Εξάρτηση της αντίστασης αγωγού από τη θερμοκρασία.

Φύλλο Εργασίας 1: Μετρήσεις μήκους Η μέση τιμή

ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ. Ενότητα 1: Εισαγωγή. Χατζηαθανασίου Βασίλειος Καδή Στυλιανή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ

SUPER THERM ΘΕΩΡΙΑ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ. Διδάσκων: Παπασιώπη Νυμφοδώρα Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π. Ενότητα 2 η : Αγωγή Μονοδιάστατη αγωγή

ΕΝΩΣΗ ΚΥΠΡΙΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ - 6 Η ΠΑΓΚΥΠΡΙΑ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Β ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ

ιαγώνισμα στη Φυσική Γ Λυκείου Κατεύθυνσης Επαναληπτικό Ι

Σύντομο Βιογραφικό v Πρόλογος vii Μετατροπές Μονάδων ix Συμβολισμοί xi. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Φυσική ΘΕΜΑ 1 ΘΕΜΑ 2 ΘΕΜΑ 3

[1] ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΤΑΞΗ : B ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ : ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2018

Επιταχύνοντας έναν αγωγό σε μαγνητικό πεδίο

ηλεκτρικό ρεύµα ampere

[1] ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΤΑΞΗ : B ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ : ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2017

ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ Τα περισσότερα στερεά, υγρά και αέρια όταν θερμαίνονται διαστέλλονται. Σε αυτή την ιδιότητα βασίζεται η λειτουργία πολλών

Φύλλο Εργασίας 5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία - Η Θερμική Ισορροπία

Ηλεκτρικό ρεύμα Αντίσταση - ΗΕΔ. Ηλεκτρικό ρεύμα Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος Αντίσταση Ειδική αντίσταση Νόμος του Ohm Γραμμικοί μή γραμμικοί αγωγοί

θ I λ dl dz I λ +di λ ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Η ένταση I λ προσεγγίζεται ως δέσμη παράλληλων ακτίνων (dω 0) Δέσμη ηλιακών ακτίνων

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 1. Εισαγωγή Βασικές έννοιες Αγωγή

Υπολογισμός συνάρτησης μεταφοράς σε Υδραυλικά συστήματα. Αντίσταση ροής υγρού. Μανομετρικό Υψος h. Υψος h2. Ροή q

Να υπολογίσετε τη μάζα 50 L βενζίνης. Δίνεται η σχετική πυκνότητά της, ως προς το νερό ρ σχ = 0,745.

Ρεύμα. n q dx da dt dt. Ροή (γενικά):

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ. όπου το κ εξαρτάται από το υλικό και τη θερμοκρασία.

ΑΣΚHΣΕΙΣ & ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ

Απορρόφηση του φωτός Προσδιορισμός του συντελεστή απορρόφησης διαφανών υλικών

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ

Η Φύση του Φωτός. Τα Δ Θεματα της τράπεζας θεμάτων

6.1 ΜΕΛΕΤΗ ΦΑΣΜΑΤΩΝ. Φασματοσκόπιο σταθερής εκτροπής, λυχνία Hg υψηλής πίεσης, λυχνία Ne, τροφοδοτικά, πηγή 12V DC, ρυθμιστική αντίσταση.

Φύλλο Εργασίας 5 Από τη Θερμότητα στη Θερμοκρασία Η Θερμική Ισορροπία α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ Πρόκειται για τρόπο μεταφοράς ενέργειας από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας. Είναι διαφορετική από την εσωτερική (θερμική)

4ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΛΑΜΙΑΣ 1

Γκύζη 14-Αθήνα Τηλ :

είναι τα μήκη κύματος του φωτός αυτού στα δύο υλικά αντίστοιχα, τότε: γ. 1 Β) Να δικαιολογήσετε την επιλογή σας.

Transcript:

Διάδοση Θερμότητας (Αγωγή / Μεταφορά με τη βοήθεια ρευμάτων / Ακτινοβολία)

Τρόποι διάδοσης θερμότητας Με αγωγή Με μεταφορά (με τη βοήθεια ρευμάτων) Με ακτινοβολία άλλα ΠΑΝΤΑ από το θερμότερο προς το ψυχρότερο σώμα.

Αγωγή (1ος τρόπος ανταλλαγής θερμότητας) Δεν έχω μετακίνηση ύλης. Αφορά κυρίως τα στερεά. Πρέπει να υπάρχει επαφή. ΣΩΜΑ ΥΨΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ A ΡΑΒΔΟΣ ΣΩΜΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ T HOT T COLD L 0 x

Στη σταθερή κατάσταση (αν δηλ. υποθέσω ότι οι θερμοκρασίες T HOT και T COLD είναι σταθερές) ισχύει ότι: Το πρόσημο πλήν δείχνει ότι το θερμικό ρεύμα «ρέει» προς την κατεύθυνση που μειώνεται η θερμοκρασία dq dt A k dt dx ΕΜΒΑΔΟΝ ΔΙΑΤΟΜΗΣ ΘΕΡΜΙΚΟ ΡΕΥΜΑ (Ρυθμός μεταφοράς θερμότητας) ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ (watt/m K) Εξαρτάται από το υλικό της ράβδου ΘΕΡΜΟΒΑΘΜΙΔΑ

Ανάλογα με την τιμή του k διακρίνω τα υλικά σε θερμικούς αγωγούς και θερμικούς μονωτές. Ο αέρας είναι θερμικός μονωτής Ορισμένες φορές τα ζώα έχουν μηχανισμούς για να αλλάζουν το k (π.χ. Ένα πουλί που «ανασηκώνει» τα φτερά του).

Μικροσκοπικός μηχανισμός εξήγησης της μεταφοράς θερμότητας με αγωγή Τα άτομα κοντά στη θερμή περιοχή έχουν μεγαλύτερη μέση κινητική ενέργεια. Μέσω των συγκρούσεων, μεταφέρουν μέρος της ενέργειας τους στα γειτονικά ψυχρότερα άτομα. Η διαδικασία συνεχίζεται σε όλο το μήκος της ράβδου. Χωρίς λοιπόν να μεταφερθούν άτομα (ύλη) μεταφέρεται ενέργεια.

Στα μέταλλα η πρηγούμενη διαδικασία υποβοηθείται από την ύπαρξη των ελευθέρων ηλεκτρονίων. Σε γενικές γραμμές οι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι και καλοί αγωγοί της θερμότητας.

1η βασική γεωμετρία: γραμμική Είναι η πιο απλή περίπτωση: dq dt dt Ak H Ak dt dx dx x Στη σταθερή κατάσταση ο ρυθμός dq/dt = Η είναι σταθερός H dx A k dt H x 0 A k T T 1 0 T T 1 H H x Ak T T 1 T T1 x A k H T T1 x A k T 1 T 2 0 x Συνάρτηση που μας υπολογίζει τη θερμοκρασία κατά μήκος της ράβδου

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 1: Μπορούμε να απαλείψουμε το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας αν χρησιμοποιήσουμε την οριακή συνθήκη σύμφωνα με την οποία για x = L πρέπει T = T 2. H H T 2 T 1 L T2 T1 L Ak Ak T 2 T1 Ak H L οπότε η συνάρτηση για τη θερμοκρασία γίνεται: T 2 T1 Ak T T L 1 x T T1 T2 T1 A k x L

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 2: Η τελευταία εξίσωση «δουλεύει» καλά και στις δύο πιθανές περιπτώσεις: Περίπτωση 1: T T T T 1 2 1 Περίπτωση 2: T1 T2 T2 T1 0 x L Φθίνουσα συνάρτηση της απόστασης x. T1 T2 T2 T1 0 T T T T 1 2 1 x L Αύξουσα συνάρτηση της απόστασης x.

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ 3: Οι γραφικές παραστάσεις: Περίπτωση 1: 450 400 350 300 250 T1 T2 T2 T1 0 200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Περίπτωση 2: T1 T2 T2 T1 0 450 400 350 300 250 200 0 0,5 1 1,5 2 2,5

Άσκηση Η θερμοκρασία στο εσωτερικό ενός δωματίου διατηρείται σταθερή στους18 C, ενώ έξω από αυτό είναι 0 C. Ποια θα είναι η θερμότητα που θα μεταφερθεί από το δωμάτιο στο περιβάλλον σε χρόνο 1 h από ένα γυάλινο παράθυρο με διαστάσεις 1,4 m x 1,1 m και πάχος 0,5 mm. Η θερμική αγωγιμότητα του γυαλίου είναι ίση με 0,84 J/s m grad.

Άσκηση Ένας άνθρωπος στέκεται ξυπόλυτος πάνω σε πάγο. Ποια ποσότητα θερμότητας «χάνει», εξαιτίας της αγωγής, από το πόδι του σε 15 min. 34 C 0 C Δέρμα του ποδιού k=0,3 Watt/m K

Άσκηση Έστω δύο ράβδοι που συνδέονται σε σειρά ο ένας μετά τον άλλο όπως στο σχήμα. Υπολογίστε τη θερμοκρασία στο σημείο επαφής τους. Τ 1 L 1, k 1 L 2, k 2 Τ 2

Άσκηση Είναι ασφαλές να αγγίξουμε ένα ταψί από το φούρνο (θ 1 =120 C) με ένα γάντι (L 1 =2 mm, k 1 =0,04 W/m grad). Υποθέστε για την παλάμη ότι L 2 =1,5 mm, k 2 =0,2 W/m grad ενώ θ 2 =34 C.

Μια αναλογία με τα ηλεκτρικά κυκλώματα Οι μηχανικοί που ασχολούνται με προβλήματα θερμικής μόνωσης ορίζουν την έννοια της θερμικής αντίστασης R μέσω της σχέσης: 1 L R k A οπότε η βασική εξίσωση για την ανταλλαγή θερμότητας με αγωγή γίνεται: H 2 1 H d Q T T A k T d t L R

Οι προηγούμενες σχέσεις θυμίζουν τις σχέσεις στα ηλεκτρικά κυκλώματα και μας οδηγούν στις παρακάτω αναλογίες: ΔΙΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ 1 L R k A (Θερμική αντίσταση) ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΡΕΥΜΑ R L A (Ηλεκτρική αντίσταση) R T H «Αιτία» ροής R V I (Νόμος Ohm) «Αποτέλεσμα» ροής

Άσκηση (Σύνδεση ράβδων σε σειρά) Για το σύστημα των δύο ράβδων σε σειρά που μελετήσαμε προηγουμένως, βρείτε την ισοδύναμη θερμική αντίσταση.

Άσκηση (Παράλληλη σύνδεση ράβδων) Να υπολογίσετε την ισοδύναμη θερμική αντίσταση για δύο ράβδους που συνδέονται παράλληλα.

2η βασική γεωμετρία: κυλινδρική Ξεκινάμε και πάλι από τη βασική εξίσωση: dq dt dt Ak H Ak dt dr dr όμως τώρα το εμβαδόν Α δεν είναι σταθερό αλλά οπότε: Στη σταθερή κατάσταση ο ρυθμός dq/dt είναι σταθερός A 2 r L dt dr H 2 r L k H 2 L k dt dr r r R R 2 1 1 T T T 2 0 R 1 T1

H ln r 2 L k T T T T H ln r R L k R 1 1 1 2 1 H T T 1 ln 2 L k και με χρήση της οριακής συνθήκης r=r 2 T=T 2 υπολογίζω το Η και καταλήγω στη σχέση: T T T T 1 1 2 2 ln ln r R r R R R 2 1 1 Συνάρτηση που μας υπολογίζει τη θερμοκρασία κατά μήκος του κυλίνδρου

Άσκηση Ένα παιδί τοποθετεί το χέρι του, μέχρι τον αγκώνα, μέσα σε ένα δοχείο με κρύο νερό (4 C) για 2 min. Πόση θερμότητα αποβάλλει; L = 30 cm, ΔR = R 2 -R 1 =3 mm, R 2 =3 cm, k=0.2 W/m grad.

3η βασική γεωμετρία: σφαιρική Μπορείτε να εργαστείτε ανάλογα για σφαιρική γεωμετρία: dq dt R Ak 2 T 2 dt dr A 4 r 2 για να καταλήξετε τελικά στη σχέση: T T T T 1 1 1 R r 1 1 R1 R2 1 2 1 0 R 1 T 1 r

Η γραμμική γεωμετρία είναι η πιο συχνή αλλά μπορεί να συνδυάζεται με τις υπόλοιπες Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα μοντέλο για τις απώλειες θερμότητας λόγω αγωγής σε ένα δύτη όπου έχω απώλειες: Από το κεφάλι Από το σώμα Από τα χέρια Από τα πόδια και σε όλα αυτά πρέπει να λάβω υπόψη τη στολή.

Μεταφορά (2ος τρόπος διάδοσης θερμότητας) Είναι ανταλλαγή θερμότητας που συνδέεται με τη μετακίνηση ύλης (μετακίνηση μάζας ενός ρευστού) από μια περιοχή σε μια άλλη. ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ: Η μετακίνηση του ρευστού είναι εξαναγκασμένη (από κάποια αντλία) π.χ. καλοριφέρ. ΦΥΣΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ: Η ροή του ρευστού οφείλεται σε διαφοροποιήσεις της πυκνότητας π.χ. αέρας θαλάσσια και απόγεια αύρα.

Φυσική Μεταφορά Την ημέρα η στεριά θερμαίνεται γρηγορότερα από τη θάλασσα, δημιουργούνται ανοδικά ρεύματα, ο αέρας υψώνεται και βαρύτερα, ψυχρότερα ρεύματα αέρα από τη θάλασσα έρχονται να καταλάβουν τη θέση του αέρα που υψώθηκε, δημιουργώντας έτσι τη θαλάσσια αύρα.

Φυσική Μεταφορά Τη νύκτα η στεριά ψύχεται γρηγορότερα από τη θάλασσα. Ανοδικά ρεύματα δημιουργούνται πάνω από τη θάλασσα και ψυχρός, κρύος αέρας πνέει από τη στεριά προς τη θάλασσα, δημιουργώντας έτσι την απόγειο αύρα.

Εξαναγκασμένη Μεταφορά Ο βασικότερος μηχανισμός διατήρησης της σταθερής θερμοκρασίας στα περισσότερα ομοιόθερμα ζώα είναι η εξαναγκασμένη ροή αίματος. Τον ρόλο της αντλίας τον παίζει στην περίπτωση αυτή η καρδιά.

Μεταφορά (2ος τρόπος διάδοσης θερμότητας) Η εύρεση μιας γενικής εξίσωσης για το θερμικό ρεύμα (Η) στην περίπτωση αυτή δεν είναι δυνατή. Έτσι περιοριζόμαστε σε απλά προβλήματα και προσεγγιστικές εξισώσεις.

Η Περίπτωση ενός καυστήρα Είσοδος νερού σε θερμοκρασία θ 1 με ρυθμό J = dm/dt (kg/s) Ο καυστήρας παρέχει θερμότητα με ρυθμό dq dm C 2 1 dt dt Έξοδος νερού σε θερμοκρασία θ 2 > θ 1 με ρυθμό J = dm/dt (kg/s)

Πρόβλημα 1 Σε ένα προηγούμενο πρόβλημα ένας άνθρωπος έχανε θερμότητα, όταν ήταν ξυπόλυτος πάνω στον πάγο, με ισχύ 68 Watt. Τι σημαίνει αυτό; Έστω τώρα ότι το αίμα εισέρχεται στο πόδι με θερμοκρασία 36 C και εξέρχεται με 32 C.Με ποιο ρυθμό πρέπει να ρέει ώστε να αναπληρώνει τις απώλειες θερμότητας λόγω αγωγής; C αίματος = 1 cal/g grad

Ακτινοβολία (3ος τρόπος διάδοσης θερμότητας) Είναι (η εκπομπή ενέργειας και) η μεταφορά θερμότητας που, σε αντίθεση με τους άλλους τρόπους, γίνεται και στο κενό (π.χ. ο τρόπος με τον οποίο η ηλιακή ενέργεια φθάνει στη Γη). Χρησιμοποιούμε τον όρο ακτινοβολία ως συνώνυμο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από ένα σώμα ΚΥΡΙΩΣ στην περιοχή του υπέρυθρου και των μικροκυμάτων. Ακτινοβολία εκπέμπουν ΟΛΑ τα σώματα. Όταν η ακτινοβολία προσπέσει σε ένα σώμα που δεν είναι διαφανές σε αυτή, τότε απορροφάται και θερμαίνει το σώμα.

Ρυθμός με τον οποία εκπέμπεται ενέργεια από ένα σώμα που ακτινοβολεί Εξαρτάται από τη θερμοκρασία αλλά και το υλικό του σώματος σύμφωνα με τη σχέση: Συντελεστής εκπομπής dq H Ae T dt 4 Απόλυτη θερμοκρασία (1 Kelvin) Νόμος Stefan-Boltzmann Θερμικό Ρεύμα (1 Watt = 1 Joule/s) Επιφάνεια εκπομπής (1 m 2 ) Σταθερά Stefan- Boltzmann 5,6705 10-8 W/m 2 K 4

Ένταση της Ακτινοβολίας Αν το θερμικό ρεύμα από ένα σώμα που ακτινοβολεί είναι H, τότε ορίζουμε ως ένταση ακτινοβολίας Ι σε απόσταση r από το σώμα την ισχύ που διέρχεται από τη μονάδα της επιφάνειας που είναι τοποθετημένη σε αυτή την απόσταση δηλ.: I H 1 dq S S dt

Ακτινοβολία που απορροφά ένα σώμα Εκτός όμως από το να εκπέμπει, κάθε σώμα απορροφά ένα μέρος της ακτινοβολίας που προσπίπτει επάνω του. Αν λοιπόν στο σώμα προσπίπτει ακτινοβολία έντασης Ι, τότε η απορροφόμενη ισχύς είναι: Εμβαδόν επιφάνειας dq. dt A I Συντελεστής απορρόφησης Ένταση προσπίπτουσας ακτινοβολίας

Το ισοζύγιο της ακτινοβολίας Κάθε σώμα εκπέμπει και απορροφά ακτινοβολία ταυτόχρονα οπότε το ισοζύγιο ακτινοβολίας είναι: H H H ό ύ ό dq ή dqύ dq ό dt dt dt dq A I e A T ό dt εφόσον απορροφά και εκπέμπει ακτινοβολία από την ίδια επιφάνεια A. 4

Ανάλογα τώρα με το πρόσημο του ρυθμού ό έχω εισροή θερμότητας από το περιβάλλον προς το σώμα (αν το αποτέλεσμα είναι θετικό) ή εκροή θερμότητας από το σώμα προς το περιβάλλον (αν το αποτέλεσμα είναι αρνητικό). Συνήθως, οι δύο αυτοί ρυθμοί είναι ίσοι με αποτέλεσμα η θερμοκρασία ενός σώματος να μην μεταβάλλεται (το σώμα ούτε να θερμαίνεται ούτε να ψύχεται). Επειδή στην προηγούμενη σχέση μπορεί να εμφανιστεί η διαφορά θερμοκρασιών, για το λόγο αυτό χαρακτηρίζουμε τον τρόπο αυτό μεταφοράς ενέργειας ως θερμότητα. dq dt

Οι συντελεστές εκπομπής (e) και απορρόφησης (α) Είναι χρακτηριστικά του υλικού από το οποίο αποτελείται το σώμα. Δεν έχουν μονάδες. Κυμαίνονται από 0 εως 1. Είναι συνήθως ίσοι μεταξύ τους. Για τις σκούρες επιφάνειες έχουν μεγαλύτερες τιμές από ότι για τις ανοιχτόχρωμες.

Η τιμή e = α = 1 χαρακτηρίζει το λεγόμενο ΜΕΛΑΝ ΣΩΜΑ. Πρόκειται για ένα σώμα που απορροφά εύκολα και ακτινοβολεί επίσης εύκολα. Αντίθετα, τιμές των e και α κοντά στο μηδέν αντιστοιχούν σε σώματα που δεν εκπέμπουν εύκολα ακτινοβολία ούτε και απορροφούν (κάτοπτρα).

Πρόβλημα 2 Έστω ότι το πόδι ενός ανθρώπου (θ = 34 C) είναι ανασηκωμένο πάνω από μια παγωμένη επιφάνεια (θ = 0 C). Υποθέστε ότι επιφάνεια είναι 0,02 m 2 ενώ οι συντελεστές εκπομπής είναι e πόδι = 0,3 e πάγος = 0,1. Υπολογίστε το ισοζύγιο ακτινοβολίας για την πατούσα.

Πρόβλημα 3 Α) Ποια η τιμή του θερμικού ρεύματος που εκπέμπεται από τον Ήλιο. Τ=6000 Κ R=7 10 8 m e = 1

B) Ποια η τιμή της έντασης της θερμικής ακτινοβολίας του Ήλιου σε απόσταση d Γης = 1,5 10 11 m (που είναι η απόσταση της Γης από τον Ήλιο); Γ) Από ποια έκφραση δίνεται η ισχύς που απορροφά η Γη από τον Ήλιο;

Δ) Από ποια έκφραση δίνεται η ισχύς της ακτινοβολίας που εκπέμπει η Γη; Ε) Δεδομένου ότι η Γη βρίσκεται σε ισορροπία τι πρέπει να συμβαίνει με τη απορροφούμενη και την εκπεμπόμενη θερμική ισχύ;

Πρόβλημα 4 Α) Ποια είναι η έκφραση για την εκπεμπόμενη ακτινοβολία από τον Ήλιο (θερμικό ρεύμα); Β) Ποια είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας σε απόσταση d από τον Ήλιο; Γ) Ένας πλανήτης που βρίσκεται σε αυτή την απόσταση πόση ισχύ ακτινοβολίας απορροφά; Δ) Ο ίδιος πλανήτης δεδομένου ότι βρίσκεται σε μια θερμοκρασία πόση ισχύ ακτινοβολίας εκπέμπει;

Ε) Δεδομένου ότι ο πλανήτης βρίσκεται σε ισορροπία τι πρέπει να συμβαίνει με τη απορροφούμενη και την εκπεμπόμενη θερμική ισχύ; ΣΤ) Χρησιμοποιήστε την προηγούμενη συνθήκη ώστε να παράγετε μια έκφραση για την απόσταση του πλανήτη από τον Ήλιο.

Ζ) Ενδιαφερόμαστε τώρα να προσδιορίσουμε την ζώνη γύρω από τον Ήλιο όπου μπορεί να υπάρξει ζωή. Κριτήριο θα αποτελέσει το αν η θερμοκρασία είναι τέτοια ώστε να υπάρχει νερό σε υγρή μορφή. Άρα η θερμοκρασία του πλανήτη πρέπει να κυμαίνεται από 270 K (νερό σε στερεή μορφή) μέχρι 370 K (νερό σε αέριο μορφή). Υπολογίστε αυτή τη βιώσιμη ζώνη γύρω από τον Ήλιο.

Το φάσμα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας Έχουμε ήδη αναφέρει ότι με τον όρο ακτινοβολία εννοούμε την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε μήκη κύματος μεγαλύτερα του ορατού. Ο νόμος των Stefan-Boltzmann μας παρέχει τη ΣΥΝΟΛΙΚΗ ισχύ (άρα και τη συνολική ενέργεια) που εκπέμπει το σώμα σε ΟΛΑ τα μήκη κύματος.

Κάθε σώμα όμως δεν εκπέμπει την ίδια ισχύ σε όλα τα μήκη κύματος. Η ένταση της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα σε ένα απειροστό παράθυρο του φάσματος με εύρος dλ δίνεται από την εξίσωση: I di 8 h c 1 d 5 e hc kt 1 όπου: h = σταθερά του Planck, c = ταχύτητα του φωτός, k = σταθερά Boltzmann, λ = μήκος κύματος, T = απόλυτη θερμοκρασία.

Αντί της προηγούμενης εξίσωσης εμείς θα χρησιμοποιούμε τη γραφική της παράσταση που φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα για διάφορες τιμές θερμοκρασίας. ΟΡΑΤΟ

Μερικές Παρατηρήσεις 1) Προκειμένου να υπολογίσουμε τη συνολική ενέργεια που εκπέμπεται σε όλα τα μήκη κύματος πρέπει να υπολογίσουμε το εμβαδόν της καμπύλης. 0 dq I d I T da dt 4 Νόμος Stefan- Boltzmann

2) Καθώς αυξάνει η θερμοκρασία η καμπύλη μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος. Μπορούμε να παρακολουθούμε αυτή τη μετατόπιση βρίσκοντας την τιμή του μήκους κύματος λ max στο οποίο αντιστοιχεί η μέγιστη τιμή της έντασης Ι λ. Η τιμή αυτή προκύπτει από τη σχέση: max 2,88 10 3 T ά m K Νόμος Μετατόπισης του Wien

3) Καθώς αυξάνει η θερμοκρασία το ύψος της καμπύλης αυξάνεται.

Πρόβλημα 5 Να σχεδιάσετε τις καμπύλες της έντασης της ακτινοβολίας στα διάφορα μήκη κύματος ως συνάρτηση του μήκους κύματος για τον ήλιο και ένα λαμπτήρα πυράκτωσης αν Τ Ηλίου = 4 Τ Λαμπτήρα.

Σύγκριση των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας

Άσκηση Σε έναν ενήλικα μάζας 80 kg, που ηρεμεί χωρίς να εκτελεί καμία εργασία, ο οργανισμός μπορεί να παράγει περίπου 380.000 J/h. Υπολογίστε την αύξηση θερμοκρασίας στην περίπτωση που δεν είχαμε ΚΑΜΙΑ απώλεια θερμότητας προς το περιβάλλον θεωρώντας την ειδική θερμότητα για το ανθρώπινο σώμα ίση με την ειδική θερμότητα του νερού δηλ. 4.200 J/kg C.

Τι γίνεται με τον άνθρωπο; Στην περίπτωση του ανθρώπου «συνεργάζονται» και οι τρείς τρόποι: 1) Επειδή το ανθρώπινο σώμα δεν έχει πολύ καλή θερμική αγωγιμότητα, η θερμική ενέργεια φθάνει με την βοήθεια του αίματος (μεταφορά με ρεύματα) στην επιφάνεια του δέρματος. 2) Στη συνέχεια με το μηχανισμό της αγωγής η θερμότητα «διασχίζει» το λεπτό στρώμα του δέρματος. 3) Από εκεί με εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας, ρεύματα αέρα μεταφέρεται στο περιβάλλον.

Τι γίνεται με τον άνθρωπο; Η όλη διαδικασία υποβοηθείται από μια σειρά μηχανισμών όπως εντονότερη ροή αίματος προς την επιφάνεια του δέρματος (σε αυτή ωφείλεται το κοκκίνισμα ότων αθλούμαστε) παραγωγή ιδρώτα (ψύξη του δέρματος με εξάτμιση) κ.ο.κ. Αλλά γίνεται και το αντίστροφο. Τις κρύες ημέρες για παράδειγμα έχουμε περιορισμένη ροή αίματος προς τα άκρα (για να μειωθούν οι θερμικές απώλειες)