§ 19. Солнце как звезда
1. Что такое солнечная постоянная? Как её определили?
Измерения за пределами земно атмосферы показали, что на площадь 1 м$^2$, расположенную перпендикулярно солнечным лучам, ежесекундно поступает 1,37 кВт энергии. Эта величина практически не меняется в течении длительного промежутка времени, поэтому она получила название солнечной постоянной. Максимум солнечного излучения приходится на оптический диапазон.
2. Что понимают под светимостью Солнца? Чему она равна?
Светимость Солнца, или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям в единицу времени, определим следующим образом: величину солнечной постоянной умножим на площадь сферы с радиусом $r$ в одну атмосферную единицу $(1\, а.е. = 149.6·10^5\, м).$ Она получается равно:
3. Какие химические элементы являются преобладающими для Солнца?
Анализ спектральных линий показал, что преобладающим элементом на Солнце является водород — на его долю приходится свыше 70% массы Солнца, около 25% приходится на гелий и около 2% на другие элементы.
4. Опишите внутреннее строение Солнца.
- Солнечное ядро.
- Зона лучистого равновесия.
- Конвективная зона Солнца.
5. На какие зоны условно подразделяются недра Солнца? Какие процессы происходят в каждой из этих зон?
В центре Солнца находится ядро. На расстояниях до 0.3 радиуса от центра создаются условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлые. Из ядер водорода образуется гелий. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Выделяющаяся энергия через слои, окружающие центральную часть звезды, передаётся наружу. В области 0.3 до 0.7 радиуса от центра Солнца находится зона лучистого равновесия энергии, где энергия распространяется через поглощение и излучение $γ$-квантов.
На протяжении последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона. Здесь энергия передаётся не излучением, а посредством конвекции (перемешивания). Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца — фотосферы.
6. Что является источником солнечной энергии?
В солнечном ядре протекают термоядерные реакции. Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуется ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа $\mathrm
Источник
Об удельной мощности человека и Солнца
В. Ланге, Т. Ланге, «Об удельной мощности человека и Солнца, или Почему у комара холодная кровь»
Поток энергии, идущей от Солнца, колоссален. Из геофизических измерений следует, что даже в верхних слоях атмосферы Земли, на громадном расстоянии почти в 150 миллионов километров от Солнца, каждый квадратный метр, расположенный перпендикулярно солнечным лучам, получает от Солнца ежесекундно 1,4 кДж. Эту величину называют солнечной постоянной и обычно обозначают буквой I. Зная, что I = 1,4 кДж/м2/с =1,4 кВт/м2, нетрудно найти полную мощность излучения Солнца P1. Для этого достаточно умножить солнечную постоянную на площадь сферы, описанной вокруг Солнца, с радиусом R = 150 000 000 км: P1 = I•4пиR^2 = 4•10^26 Вт.
Конечно, энергетические возможности человека во много раз скромнее. Среднюю мощность, развиваемую человеком, можно довольно точно оценить по калорийности пищи, потребляемой им в сутки. Как известно, лица, не занимающиеся тяжелым физическим трудом, должны получать с пищей ежедневно примерно 12 МДж. Почти вся эта энергия идет на поддержание постоянной температуры человеческого тела и в конечном счете генерируется человеком в окружающее пространство. (Лишь очень малую часть получаемых 12 МДж человек расходует на совершение механической работы.) Разделив 12 МДж на длительность суток (86 400 с), получим P2 = 140 Вт.
Таким образом, как генератор энергии Солнце примерно в 3•10^24 раз мощнее человека. Тем неожиданнее результат сравнения их удельных (т.е. приходящихся на единицу массы) мощностей. Масса М Солнца составляет около 2•10^30 кг, массу человека примем равной m=80 кг. Тогда
P1/M = 2•10^-4 Вт/кг
P2/m = 1,75 Вт/кг
УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА ОКАЗЫВАЕТСЯ ПОЧТИ В 10 000 РАЗ БОЛЬШЕ, ЧЕМ У СОЛНЦА!
Результат, к которому мы пришли, кажется на первый взгляд совершенно неправдоподобным. Однако так и есть на самом деле. Как же объясняется этот «парадокс»? Почему Солнце – этот гигантский термоядерный реактор – проигрывает по удельной мощности человеку, энергию которому поставляют химические реакции, куда более «слабосильные», чем ядерные?
Ответ на этот вопрос нетрудно получить, если принять, что тепло в человеческом теле и в Солнце выделяется более или менее равномерно по всему объему. Тогда, скорость выделения тепла прямо пропорциональна объему тела, иными словами — кубу линейного размера. Скорость же теплоотдачи пропорциональна площади поверхности тела, т.е. квадрату линейного размера. Стало быть, чем больше тело, тем меньшей может быть скорость выделения тепла, необходимая для поддержания некоторой заданной температуры.
Объем Солнца порядка 10^27 м3, площадь его поверхности около 10^18 м2. Соответствующие параметры тела человека 10^-1 м3 и 1 м2. Таким образом, отношение объемов Солнца и человека равно приблизительно 10^28, а отношение площадей поверхностей этих тел порядка 10^18. Образно говоря, на единицу объема Солнца приходится приблизительно в 10 миллиардов раз меньше свободной поверхности, чем у человека. Поэтому неудивительно, что, несмотря на то, что солнечный «обмен веществ» протекает со скоростью всего лишь 0,2 мВт/кг, температура на поверхности Солнца достигает 6 000 градусов.
Проиллюстрируем связь между размерами, темпом энерговыделения и температурой тел следующими примерами из жизни животного мира.
Температуры тел млекопитающих отличаются не особенно сильно. В частности, они примерно одинаковы и у слона, и у маленькой полевой мышки. Однако скорость выделения тепла в организме слона примерно в 30 раз меньше. Если бы внутри тела слона выделение тепла происходило с такой же скоростью, как у мыши, то выделяющееся тепло не успевало бы покинуть организм слона достаточно быстро, чтобы сохранилась нормальная температура, и слон бы «зажарился» в собственной шкуре.
Чем меньше теплокровное животное, тем больше должна быть удельная (т.е. в расчете на единицу массы) скорость выделения тепла, чтобы скомпенсировать потери и поддержать температуру тела, обеспечивающую нормальную жизнедеятельность организма, тем больше пищи (опять-таки в расчете на единицу массы) оно должно поглощать. Мальчик-с-пальчик из широко известной детской сказки должен быть ужасно прожорлив: при одинаковых пропорциях с нормальным человеком ему требовалось бы на 1 кг массы в 20 раз больше пищи.
Самые маленькие млекопитающие на Земле – этрусские мыши – имеют массу всего 1,5 г, а съедают за сутки в два раза больше. Если этрусскую мышь оставить без пищи хотя бы на несколько часов, она погибнет. Практически весь период бодрствования заняты поисками и поглощением еды колибри (крошечные птички с массой около 2 г, обитающие в Южной Америке). Длительный ночной перерыв в этом занятии колибри могут переносить только потому, что температура их тела на это время резко понижается.
Можно показать, что очень маленькие существа, комар например, не могут быть теплокровными. ************************************
. Стало быть, удельная мощность комара составляет 10^-3 Вт/ 10^-6 кг = 10^3 Вт/кг, то есть примерно в 600 раз больше, чем у человека (и в 6 миллионов раз больше, чем у Солнца!).
Если человек поглощает в сутки около 1 кг пищи, то есть примерно 1/80 часть от своей массы, то масса пищи комара должна бы превышать его собственную в 600/80 = 7,5 раз. (Фактически мы получаем заниженные цифры, так как при оценке не учитывалось тепло, отдаваемое за счет конвекции). Температура окружающего воздуха чаще оказывается значительно ниже +17 градусов Цельсия, а при +7 градусах (обычные комары достаточно активны и в этих условиях) энергозатраты возрастают почти в 2 раза, так что поглощать пищи комару пришлось бы уже в 15 раз (!) больше своей массы. Поэтому ясно, что поддерживать постоянной температуру своего тела (т.е. быть теплокровным) комар не может.
Рассматривая связь между линейными размерами тела и интенсивностью энергообмена с окружающей средой, легко получить ответ и на такой интересный вопрос: почему тонкую проволоку можно расплавить в пламени спички, а толстую трудно раскалить даже с помощью газовой плиты?
Поток энергии, которую получает проволока от огня, прямо пропорционален площади ее боковой поверхности S = 2пиRl (R – радиус проволоки, l – длина ее части, находящейся в пламени). В то же время скорость отвода тепла вдоль оси проволоки к ее холодным концам (которые не попадают в пламя) прямо пропорциональна площади поперечного сечения проволоки S = пиR2.
Если радиусы двух проволок отличаются в 10 раз, то при прочих равных условиях более толстая проволока будет получать за единицу времени в 10 раз больше тепла, чем тонкая, но терять она будет в 100 раз больше. Ясно, что температура толстой проволоки в равновесном состоянии (когда оба тепловых потока – к проволоке и от нее – сравняются) окажется заметно меньше.
ИСТОЧНИК: Научно-популярный физико-математический журнал для школьников и студентов «Квант» №4, 1981
(******************************** с сокращениями)
Источник
Энергия солнца — альтернативный источник энергии, мощный и вечный!
Согласно научным выводам, земля перехватывает много солнечной энергии, что составляет 173 триллиона тераватт. Это буквально на десять тысяч больше энергии, чем население всего мира . Это подтверждает тот факт, что солнце является самым изобильным источником энергии на всем земном шаре и что оно может стать одним из самых надежных источников энергии.
Традиционно энергетические потребности в мире удовлетворяются ископаемыми видами топлива, такими как нефть, природный газ и уголь. Однако эти источники энергии имеют два основных отрицательных воздействия:
Они играют большую роль в глобальном потеплении и загрязнении кислотными дождями , что отрицательно сказывается на многих животных, растениях и людях в окружающей среде .
Немногие страны имеют полный доступ к энергоресурсам на ископаемом топливе, что может привести к глобальной политической и экономической нестабильности.
Лучшей альтернативой является солнечная энергия, которая является возобновляемым ресурсом, то есть она не станет недоступной. Он обеспечивает неограниченное, постоянное снабжение через время. Солнечная энергия также является зеленым источником энергии, поскольку она не выделяет загрязняющие вещества в процессе производства энергии.
Итак, что такое солнечная энергия?
Солнечная энергия — это энергия, вырабатываемая солнцем в виде тепла и света. Это один из самых возобновляемых и доступных источников энергии на планете Земля. Тот факт, что он доступен в большом количестве и свободен и никому не принадлежит, делает его одним из самых важных из нетрадиционных источников энергии. Солнечная энергия использовалась людьми с древних времен, используя простые увеличительные стекла, чтобы сконцентрировать свет солнца в лучах настолько жарко, что они могли бы загореться.
В основном, солнечная энергия может быть использована для преобразования ее в тепловую энергию или может быть преобразована в электричество. Солнечная энергия — это энергия, запряженная солнцем. Он используется двумя основными способами:
- Через производство электроэнергии
Этот метод использует солнечные фотоэлектрические (PV) устройства или солнечные элементы, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Фотоэлектрические устройства производят электричество прямо от солнечного света через электронный процесс, который естественно встречается в конкретных типах материалов, известных как полупроводники.
Электроны, содержащиеся в этих материалах, пропускаются солнечными лучами, что стимулируется движением по электронной цепи, передачей мощности в сетку или прямым питанием электрических устройств. Эта форма энергии может использоваться для питания солнечных часов, калькуляторов или сигналов трафика. Они часто используются в местах, которые не подключены к электрической сети.
Солнечные коллекторы
Солнечный тепловой коллектор использует тепло, поглощая солнечные лучи. Этот метод использует энергию солнца для нагрева воды (солнечные панели горячей воды) для домашнего использования, такие как водонагреватели, гидромассажные ванны и бассейны. На концентрированных солнечных электростанциях используются более сложные сборщики для производства электроэнергии путем нагрева жидкости для включения турбины, подключенной к генератору. Простые сборщики обычно используются в коммерческих и жилых зданиях для обогрева помещений.
Солнечная энергия, превращенная в электричество, может быть мгновенно использована для питания огней или многих других устройств. Более того, он может храниться в батареях для будущего использования. Солнечные элементы обычно генерируют электричество постоянного тока (DC). Однако его можно преобразовать в переменный ток (переменный ток) с помощью устройства, известного как инвертор. Солнечная энергия, преобразованная в тепловую энергию с целью нагрева воды, может быть использована мгновенно или храниться в виде горячей воды в резервуарах, которые будут использоваться позже.
Солнечную энергию можно широко классифицировать как активную или пассивную солнечную энергию в зависимости от того, как они захватываются и используются. В активной солнечной энергии специальное солнечное отопительное оборудование используется для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию, тогда как в пассивной солнечной энергии механического оборудования нет. Активная солнечная энергия включает использование механического оборудования, такого как фотогальванические элементы, солнечные тепловые коллекторы или насосы и вентиляторы для улавливания солнечной энергии .
Пассивные солнечные технологии превращают солнечную энергию в тепловую энергию без использования активных механических систем. Это главным образом практика использования окон, стен, деревьев, размещения зданий и других простых методов для захвата или отклонения солнца для использования. Пассивное солнечное отопление — отличный способ сохранить энергию и максимизировать ее использование. Примером пассивного солнечного нагрева является то, что происходит с вашим автомобилем в жаркий летний день.
Источник
§ 120. Солнце
Основные характеристики Солнца. Солнце — лишь одна из бесчисленного множества звезд, существующих в природе. Благодаря близости Земли к Солнцу мы имеем возможность изучать происходящие на нем процессы и по ним судить об аналогичных процессах в звездах, непосредственно не видимых из-за колоссального их удаления.
Шарообразное Солнце представляется нам светящимся диском. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой, ее радиус считается радиусом Солнца. На среднем расстоянии от Солнца до Земли (а0 = 1 а. е.), угол, под которым виден радиус фотосферы θ = 16′, поэтому линейный радиус Солнца R
= а0 • sin θ = 1,5 • 10 8 км • 0,00465 = 700 000 км, что в 109 раз превышает радиус Земли.
Масса Солнца определяется по движению Земли вокруг Солнца и третьему обобщенному закону Кеплера, согласно которому (если пренебречь массой планеты по сравнению с массой Солнца М)
В этой формуле а = а0, G = 6,67 • 10 -11 м 3 /кг • с 2 — гравитационная постоянная, Т = Т0 = 365,25 сут. — период обращения Земли вокруг Солнца. Так как 1 сут. = 1440 мин = 86 400 с, то Т0 = 365,25 • 86 400 = 3,2 • 10 7 с.
Ускорение свободного падения на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на поверхности Земли, и равно 274 м/с 2 .
На фотографических снимках Солнца часто видны темные пятна, возникающие в его фотосфере. Если в течение нескольких дней следить за пятнами, то можно заметить их перемещение, что указывает на вращение Солнца вокруг оси. Такие наблюдения показали, что Солнце вращается не как твердое тело. Период его обращения вокруг оси вблизи экватора составляет 25 сут., а вблизи полюса — 30 сут. Линейная скорость вращения Солнца на экваторе составляет 2 км/с.
Измерение освещенности, которую создает Солнце на Земле, показало, что на земную поверхность площадью в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно к солнечным лучам, ежесекундно поступает от Солнца энергия, равная 1370 Дж. Эта величина получила название солнечной постоянной E = 1,37 кВт/м 2 . По ней нетрудно рассчитать светимость Солнца L, или мощность солнечного излучения — энергию, излучаемую Солнцем за 1 с со всей его поверхности. Для этого достаточно умножить солнечную постоянную на площадь поверхности сферы, в центре которой находится Солнце, радиус которой равен расстоянию от Земли до Солнца а0 = 1,5 • 10 11 м. Так как площадь поверхности сферы радиусом а0 равна S = 4πR 2 , где π = 3,14, то светимость Солнца
L = SE = 4 • 3,14 (1,5 • 10 11 м) 2 • 1,37 • 10 3 Вт/м 2 = 4 • 10 26 Вт.
На долю Земли приходится всего лишь одна двухсотмиллиардная доля энергии, излучаемой Солнцем, но и ее достаточно для расцвета и многообразия жизни на нашей планете.
Судить о температуре Солнца (и звезд) мы можем только по его (их) излучению. Солнце является источником излучения различных длин волн — от длинноволнового радио- до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. На рисунке XIII цветной вклейки показан наблюдаемый спектр Солнца в видимом диапазоне длин волн, полученный с помощью спектрографа. На нем мы видим, что на фоне непрерывного спектра (цветная радуга) видны линии поглощения различных химических элементов.
По наличию спектральных линий астрономы определяют химический состав Солнца. Оказалось, что Солнце почти на 71% состоит из водорода, 27% составляет гелий, на остальные химические элементы приходится около 2% массы.
Астрономы предполагают, что излучение Солнца близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела, законы излучения которого хорошо известны.
Согласно закону Вина длина волны, на которую приходится максимум излучения нагретого тела λmах, связана с температурой Т формулой
Максимум излучения Солнца приходится на длину волны λmах = 4,8 • 10 -7 м, следовательно, температура Солнца должна быть
Другой метод оценки температуры основан на законе Стефана — Больцмана, который гласит: мощность излучения i с квадратного метра поверхности абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т, т. е.
i = σТ 4 Вт/м 2 , (16.2)
где σ = 5,67 • 10 -8 Вт/(м 2 • К) — постоянная величина. Так как площадь солнечной поверхности S = 4πR 2 , то светимость Солнца
L = iS = σТ 4 πR 2 = 4 • 10 26 Вт. (16.3)
Отсюда следует, что температура солнечной фотосферы 
Подставляя в эту формулу указанные выше значения, получим, что T = 5800 К, что мало отличается от результата, полученного по закону Вина. Обычно среднюю температуру солнечной фотосферы считают близкой к 6000 К.
Строение солнечной атмосферы. Все виды излучений, которые мы воспринимаем от Солнца, образуются в его самых верхних слоях, в атмосфере. Самый глубокий и плотный слой атмосферы — фотосфера — имеет толщину около 200 км, плотность вещества в ней составляет 10 -5 кг/м 3 , что значительно меньше плотности земной атмосферы. Несмотря на малое значение толщины и плотности, фотосфера непрозрачна для всех видов излучений, образующихся в более глубоких слоях Солнца, поэтому мы не можем заглянуть в его подфотосферные слои.
Источник