double arrow

Трансформация энергии в биосфере. Закон Стефана – Больцмана


Из закона сохранения и превращения энергии следует, что для любой системы, помещенной в заданный объем, справедливо равенство:

При этом изменение внутренней энергии ΔU вещества массой m с изменением температуры на ΔT составляет ΔU = m⋅ c ⋅ ΔT , где c – теплоемкость вещества (для воды она равна 4,18 кДж/(кг·К).

Когда вещество переходит в другую фазу, происходит изменение внутренней энергии без изменения температуры. Энергия, требуемая для фазового перехода из твердого вещества в жидкое состояние, называется теплотой плавления, а для перевода жидкости в пар – теплотой испарения. При этом изменение внутренней энергии при выпаривании воды равняется m⋅ H , где m – масса, а H – удельная теплота испарения, а при плавлении будет m⋅Λ , где Λ – удельная теплота плавления.

Во многих задачах, связанных с проблемой охраны окружающей среды, рассматриваются потоки как вещества, так и энергии через границы системы. Примером может служить удаление с помощью теплоносителя (обычно воды)теплоты из зоны протекания процесса. В этом случае скорость изменения внутренней энергии равняется m` ⋅c ⋅ΔT , где m` – поток вещества через границы системы, а ΔT – перепад температур в потоке, отводящем теплоту от процесса.




Когда два тела имеют разную температуру, теплота переносится от более теплого тела к более холодному. Этот процесс может осуществляться за счет теплопроводности (кондуктивный процесс), когда имеется непосредственный контакт между телами; за счет конвекции, когда между ними имеется газ или жидкость, или за счет излучения.

Процесс переноса тепла через барьер (например, стену здания) можно описать следующим уравнением:

где q – тепловой поток [Вт] через барьер площадью S [м2], расположенный перпендикулярно вектору теплового потока, T1 и T2 – значения температуры [К] внешних поверхностей барьера, R – термическое сопротивление [м2·К/Вт].

При переносе теплоты излучением испускаемую энергию несут электромагнитные волны. Каждый объект излучает тепло. Абсолютно черное тело является совершенным излучателем, оно испускает с единицы поверхности больше энергии, чем любой реальный объект при той же температуре. Мощность испускаемого излучения W абсолютно черного тела описывается законом Стефана – Больцмана:

где σ = 5,67 ⋅10−8 Вт/(м2·K4) – постоянная Стефана–Больцмана, S – площадь поверхности излучателя, м2; T – его температура, K. Длина волны, на которой спектр излучения достигает своего максимума, определяется с помощью закона смещения Вина:

где λ – длина волны, м; T – температура, K; b = 2,90 ⋅10−3 , — постоянная Вина, м·К.

Величина кванта энергии определяется соотношением Эйнштейна – Планка: E = hν

где h = 6,62 ⋅10−34 Дж·с – постоянная Планка, а ν – частота электромагнитного излучения, с-1.

Энергия и масса связаны следующим соотношением эквивалентности Эйнштейна: E0 = mc2 где c – скорость света в вакууме.








Сейчас читают про: