Влияние цвета и тени на температуру
Данная работа посвящена исследованию влиянию цвета и тени на температуру тел. Теплота – непременный участник почти всех жизненных и производственных процессах. Глобальные процессы теплообмена тесно связаны с нагреванием Земли солнечным излучением. Солнечная энергия – источник жизни на Земле. Поэтому ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования.
Актуальность данной работы определяется тем, что в настоящее время, используя знания человечества об эффективном использовании солнечной энергии, мы можем переходить от глобальных проблем, к практическим действиям для более рационального использования энергии.
Цель работы: исследовать влияние цвета и тени на температуру окружающей среды.
Задачи: 1) изучить зависимость излучения и поглощения от состояния поверхности тела; 3) рассмотреть использование способностей тел по-разному поглощать энергию в энергосберегающих технологиях.
Объект исследования: создание оптимального температурного режима при экономии энергии.
Предмет исследования: взаимосвязь излучения и поглощения энергии от состояния поверхности тел.
Настоящая работа содержит два раздела. В первом раскрывается теоретическая основа работы. Во втором разделе описывается ход проведения исследовании и его результаты.
Результаты данной работы могут быть использованы, как рекомендации для их использования в строительстве зданий.
Раздел 1 Тепловое излучение
Излучение — как вид теплопередачи
Передача тепла в среде происходит при наличии разности температур. При этом тепло распространяется из области повышенных температур в область пониженных. Например, зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения из здания, а летом при сильном нагреве поверхностей стен за счет солнечной радиации – в здание. Из своего опыта мы знаем, если приблизить руку к электрической плите, утюгу или к любому другому нагретому телу, ощущается теплота. Если же поместить между нагретым телом и руками лист белой бумаги, то руки перестают ощущать нагревание. Любое нагретое тело испускает невидимое тепловое излучение, которое частично поглощается другими телами. Излучают энергию все тела: большие и маленькие, твердые и жидкие, горячие и холодные, светящиеся и темные. Однако при повышении температуры мощность теплового излучения всех тел увеличивается, то есть ежесекундно тело начинает излучать больше теплоты. С повышением температуры тела увеличивается и энергия, предаваемая в окружающее пространство путем излучения. Невидимое тепловое излучение возникает за счет внутренней энергии излучающей системы и имеет такую же природу; как и видимое, которое вызывают светом. Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что она может осуществляться в полном вакууме. Излучением передается на Землю солнечная энергия. Излучение, распространяясь от тела, попадает на другие тела. При этом энергия излучения частично отражается, а частично поглощается телами, превращаясь в их внутреннюю энергию, вследствие чего они нагреваются.
1.2 Применение излучения
Все ли тела одинаково поглощают энергию? Проведем опыт с теплоприемником и манометром. Повернем теплоприемник к нагретому телу сначала черной, а потом блестящей стороной, Столбик жидкости в манометре будет перемещаться в первом случае на большее расстояние, чем во втором. Можно сделать вывод, что тела с темной поверхностью поглощают лучше энергию и сильнее нагреваются, а также быстрее охлаждаются путем излучения.
Способность тел по-разному поглощать и излучать энергию находит широкое применение.
Темная, вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается — излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. Если же погода облачная, то облака закрывают Землю и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения. Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли.
Воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же нужно использовать солнечную энергию, например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в черный цвет.
Приборы и оборудование: настольная лампа (100Вт), две пустые коробки, листы цветного картона, комнатный цветок.
Опыт проводится в три этапа.
Берем обе коробки и устанавливаем их на одинаковом расстоянии от лампы, чтобы они получали одинаковое количество света. Ставим горшок с растением между лампой возле первой коробки таким образом, чтобы тень покрывала ее большую часть. Включаем лампу. Измеряем температуру воздуха в обоих коробках через 1 час
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-23°С
во II коробке-26°С
Накрываем одну коробку черным картоном, другую белым. Устанавливаем коробки на одинаковом расстоянии от лампы, так, чтобы они получали одинаковое количество света. Измеряем температуру в коробках до эксперимента и после 30 минут работы лампы.
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-22,5°С
во II коробке-27°С
Проводим в несколько этапов. Накрываем одну коробку красным картоном,. Устанавливаем коробки на одинаковом расстоянии от лампы, так, чтобы они получали одинаковое количество света. Измеряем температуру в коробках до эксперимента и после 30 минут работы лампы. Повторяем с картоном коричневого и зеленого цвета, фольгой.
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-23°С
во II коробке-24,5°С
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-23°С
во II коробке-26°С
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-23°С
во II коробке-23,5°С
Температура воздуха до начала эксперимента в коробках: t=22°С;
Температура воздуха после начала эксперимента: в I коробке-23°С
во II коробке-22°С
Данный опыт отчётливо показал влияние цвета поверхности на изменение температуры. Нужно учесть, что при проведении опыта не были учтены все факторы (отражающая способность поверхности, толщина покрытия), влияющие на конечный результат. Поэтому данные температуры представлены не как абсолютные величины. Результаты опыта представлены в виде диаграмм.
Мы рассмотрели способность тел в зависимости от состояния поверхности поглощать энергию. И опытным путем доказали, что тела с темной поверхностью, лучше поглощают энергию и сильнее нагреваются. Для нашего региона, где продолжительность светового дня доходит до 2200часов, иногда бывает трудно поддерживать оптимальный температурный режим и использовать принципы энергосбережения. Поэтому опираясь на полученный результат, можно сделать выводы: 1.Цвет нашего дома (особенно кровля) тоже играет важную роль в поддержании температурного режима. Светлые цвета больше отражают солнечный свет. Темные цвета, наоборот, поглощают. Если выкрасить свой дом в светлые цвета, то в течение лета он будет более прохладным, а зимой меньше отдавать тепла. 2.Растения своей тенью блокируют попадание солнечного света. Таким образом, летом они помогают нам поддерживать прохладу в доме. Зимой же, когда листья с деревьев опадают, то солнечный свет проникает в дом, нагревая его. Используя данные выводы, мы сможем сократить расход энергии в наших домах.
Источник
Упрощенная модель солнечного нагрева поверхностей
Недавно на работе возник вопрос, касающийся промышленной безопасности. Кто-то из инженеров, комментирующий вопросы промышленной безопасности задал вопрос: «Возможна ли вспышка паров дизельного топлива инициированная нагревом крышки в резервуаре запаса дизельного топлива». Вопрос не так прост, из практики мы знаем, что хлопки паров горючих жидкостей под крышками резервуаров не происходят. Но технически газовоздушная смесь под крышкой есть, почему бы не произойти хлопку при воспламенении паров от нагревшейся под солнцем крышки? Т.к. обосновать невозможность такого хлопка не получится (никаких мероприятий по предотвращению образования взрывоопасной концентрации, вроде плавающей крыши, системе улавливания легких фракций и т.п. не предусматривается) остается попробовать обосновать то, что необходимые для этого условия не создаются. Температура вспышки паров — 55 С. Никакие существующие методики расчета нагрева тел под действием солнечных лучей мне неизвестны. Но вообще, задача выглядит несложной. Достаточно составить уравнение теплового баланса и решить его. Уравнению теплового баланса и посвящена эта статья. Оно составилось не сразу, промежуточные шаги я здесь не рассматриваю. Разумеется, это уравнение подходит и для приближенного расчета нагрева любых поверхностей (автомобилей, крыш и т.п.).
Поступление тепла
Прямое и рассеянное солнечное излучение
Так называемая солнечная постоянная составляет 1353 Вт/кв.м., но это тепловой поток солнечного тепла падающий на землю из космоса. Величина солнечной прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе на широте 52 с.ш. в полдень равна 800 Вт/кв.м. В более южных районах тепловой поток может доходить до 1000 Вт/кв.м. Примем коэффициент, учитывающий отражающую способность тел (альбедо) зависит от типа и цвета поверхности. В нашем случае используем коэффициент 0.7. Поверхность крыши резервуара 800 кв.м. и он находится под прямым солнечным излучением (исходя из необходимости учета худших возможных условий, да и по генплану затенять его нечем).
Нагрев поверхности солнечными лучами выражается формулой:
$$Q_
$Q_
A — площадь поверхности, участвующей в излучении тепла, кв.м
$\mu$ — коэффициент отражения поверхности (альбедо).
Это верно для резервуара не находящегося в тени. Если он затенен, то потребуется еще один коэффициент, учитывающий процент затенения поверхности, а также поступления тепла от рассеянного солнечного излучения. Коэффициенты отражения для разных поверхностей можно найти в мини-справочнике.
Потери тепла
Потери тепла от конвекции
Предположим, что температура наружной поверхности резервуара под солнцем — 52$^<\circ>$С, а температура окружающего воздуха — 32$^<\circ>$С. Уравнение потери тепла от конвекции:
$$Q_
$h_c$ — коэффициент конвективной передачи тепла, $\frac<Вт><м^2 \times К>$
A — площадь поверхности, участвующей в конвекционном обмене, кв.м
$\Delta T$ — разница температур между поверхностью и окружающей средой, К
$Q_
Коэффициент конвекционной передачи тепла зависит от материала поверхности, вида конвекционной среды (газ или жидкость разных видов) и других параметров. Для твердых тел, теряющих тепло при свободной конвекции воздуха коэффициент $h_c$ меняется в диапазоне 5. 25 $\frac<Вт><м^2 \cdot K>$. Для поверхности из малоуглеродистой стали в воздушной среде коэффициент конвективной передачи тепла составит 7,9 $\frac<Вт><м^2 \cdot K>$. Коэффициент конвекционной передачи многократно возрастает при движении конвективной среды. Например, при ветре. Так что нам становится прохладней, когда дует ветер не только потому, что мы потеем и ветер улучшает испарение пота, но и потому что ветер многократно увеличивает конвекционный отвод тепла от нашего тела.
Возьмем для расчета температуру окружающего воздуха 32$^<\circ>$С и температуру поверхности резервуара из малоугеродистой стали 52$^<\circ>$С.
Потери тепла излучением
$$Q_
$\epsilon$ — константа излучения объекта (или черного тела). Для поверхности, окрашенной маслянной краской $\epsilon = 0.85$.
$\sigma = 5.6703 \times 10^<-8>$ — Константа Стефана-Больцмана, $\frac<Вт><м^2 \cdot К^4>$;
A — площадь поверхности, участвующей в излучении тепла, кв.м.
Теперь можно составить уравнение теплового баланса для стационарных условий.
Другими словами, поступление тепла равно сумме потерь тепла от радиации и конвекции. Здесь не учитывается тепло, которое расходуется на нагрев самой поверхности. Стационарность условий — приближение, наша прверхность будет постоянно немного нагреваться и охлаждаться, но для нашего случая это не слишком важно.
Если подставить все выражения то получим следующее:
$$Q_
Как видно, A можно было бы и сократить, но мы этого делать не будем. Большая проблема в том, что решить это уравнение, найдя неизвестную Th будет сложно. Собственно я вообще не представляю, как решить это уравнение. К счастью, есть MathCAD, который отлично решает такие уравнения численно. Прорешав уравнение получим ответ, для нашего случая температуру поверхности 68 С. Вот файл для расчетов, чтобы можно было повторить их самостоятельно. Его можно открыть в MathCAD от 14 версии. Думаю, в следующий раз я выложу расчет в Excel, как более доступный для читателей.
Источник
Почему черный цвет поглощает тепло
Почему черный цвет поглощает тепло
Чем белые объекты отличаются от черных
Цвета одежды несут массу эмоций: каждый цвет не только отражает настроение, но и меняет настроение в сочетании с другими цветами. Следовательно, цвета одежды имеют ключевое значение при выборе одежды.
Почему мы ассоциируем черную или темную одежду с зимой, а светлую с летом? Почему белый и другие светлые цвета являются популярными летними оттенками? Хотя может показаться, что ответ связан с модой, в действительности именно научные знания, делает белые и более светлые цвета более практичными в жаркие летние месяцы.
На самом деле, вам, вероятно, в какой-то момент вашей жизни понятно, что носить летом черную одежду на открытом пространстве и солнце жарко, потому что черный цвет поглощает тепло. Есть ли правда в этом утверждении? Или это просто домыслы.
Почему черный цвет поглощает тепло
Черная одежда поглощает больше света, а это, в свою очередь, преобразуется в большее количество энергии и тепла. Но почему это происходит? Все это можно объяснить наукой о свете, тепле и энергии.
Чтобы понять свойства поглощения тепла черной одеждой, мы должны сначала понять, почему такая одежда выглядит черной в первую очередь. Цвет рубашки определяется тем, какие длины волн света отражаются от этого объекта.
Почему черный цвет поглощает тепло
Когда свет попадает на объект, этот свет (известный как белый свет) содержит все видимые длины волн света. Красная рубашка, таким образом, будет выглядеть красной, потому что она поглощает все длины волн света, кроме красной, которая отражается и определяется нашими глазами.
Чем белые объекты отличаются от черных
Белая рубашка отражает все волны света обратно и наши глаза видят полный спектр цветов, не поглощенный предметом. Черная рубашка, с другой стороны, поглощает все длины волн света, не отражая ни одного из них обратно в наши глаза.
Поскольку черная рубашка поглощает весь свет, который попадает на нее, она преобразует этот свет в другие виды энергии, обычно в тепло. Затем он излучает это тепло, некоторые в окружающую среду, а некоторые прямо в наше тело.
Вот почему люди советуют не носить черную или темную одежду в жаркие дни, так как человек получает дополнительное нагревание, за счет темной одежды, так как она поглощает весь спектр света и излучает больше тепла.
Почему черный цвет поглощает тепло
Белые рубашки имеют противоположный эффект. Поскольку они не поглощают свет, они не преобразуют его в тепло. Это делает одежду белого или более светлого цвета более прохладной летом.
Конечно, хотя есть научное обоснование для утверждения, что черная одежда поглощает свет и преобразует его в тепло. Но вы, возможно, не заметите большой разницы между белой рубашкой и черной рубашкой в летний день, когда к этому процессу присоединяются другие факторы погоды.
Например, влажность воздуха, отсутствие солнца и ветер. Эти факторы погоды, имеют значительное влияние на то, как тепло и комфортно, вы чувствуете себя в определенный день, независимо от цвета одежды.
Источник