Omówić mechanizmy transportu energii wraz z charakterystycznymi dla nich równaniami.
Transport energii od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze to transport ciepła.
Mechanizmy przekazywania ciepła.
Wyróżnia się trzy podstawowe sposoby przekazywania ciepła: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie
1. PRZEWODZENIE - przekazywanie energii od jednej cząstki do drugiej, za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząstek. Proces ten trwa dopóty, dopóki temperatura ciała nie zostanie wyrównana w całej rozpatrywanej objętości. Dotyczy to bezpośredniego kontaktu ciała z ciałem, części ciała z ciałem.
2. PROMIENIOWANIE - przekazywanie ciepła w postaci energii promieniowania, którego natura jest taka sama jak energii świetlnej. Energia cieplna przekształca się w energię promieniowania, przebywa określoną przestrzeń z prędkością światła, aby w innym miejscu przekształcić się całkowicie lub częściowo w energię cieplną.
3. KONWEKCJA (WNIKANIE) - wiąże się z ruchem konwekcyjnym gazów lub cieczy, wywołanym bądź różnicą gęstości (różnicą temperatur), bądź przez wymuszenie czynnikami zewnętrznymi.
Często przewodzenie ciepła, konwekcyjna i radiacyjna wymiana ciepła występują jednocześnie, lecz w praktyce inżynierskiej na ogół jeden z tych rodzajów wymiany ciepła przeważa nad pozostałymi i może być rozpatrywany odrębnie.
PRZEWODZENIE
Przewodzenie ciepła jest to przekazywanie energii wewnętrznej miedzy bezpośrednio stykającymi sie częściami jednego ciała lub różnych ciał. W płynach przekazywana jest energia kinetyczna atomów i cząsteczek, a w ciałach stałych energia drgań atomów w sieci krystalicznej i w ruchu swobodnych lektronów. Wyłącznie przez przewodzenie odbywa się wymiana ciepła w ciałach stałych nieprzenikliwych dla promieniowania termicznego oraz w płynach, gdy nie występują przemieszczenia względem siebie makroskopowych części płynu (np., gdy płyn jest ogrzewany od góry).
Przewodzenie ciepła - proces wymiany ciepła miedzy częściami ciała o różnej temperaturze, polegajacy na przekazywaniu energii ruchu bezładnego czasteczek w wyniku ich zderzeń. Proces prowadzi do wyrównania temperatury w różnych fragmentach ciała.
Za przewodnictwo cieplne nie uznaje sie przekazywanie energii w wyniku uporządkowanego (makroskopowego) ruchu cząstek.
Ciepło płynie tylko wtedy, gdy występuje różnica temperatur od temperatury wyższej do temperatury niższej, a z dobrym przybliżeniem dla większości substancji ilość energii przekazanej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu jest proporcjonalna do różnicy temperatur, co opisuje równanie różniczkowe Fouriera:
5.
Przewodzenie ciepła realizowane jest w zależności od rodzaju ciała dwojako.
Pierwszy mechanizm przewodzenia opiera się na interakcji molekuł o różnych poziomach energetycznych (temperaturach). Molekuły o większej energii przekazują swą energię drgań, sąsiadującym molekułom o mniejszej energii. Proces ten przebiega we wszystkich stanach skupienia, w których występuje różnica temperatury.
Drugi mechanizm przewodzenia ciepła odbywa się za pomocą „wolnych” elektronów i ma znaczenie przede wszystkim w metalach. Koncentracja wolnych elektronów jest większa w czystych metalach niż w stopach metali, stąd są one lepszymi przewodnikami ciepła.
Miarą przekazywanego ciepła jest natężenie strumienia cieplnego q, które wyraża ilość ciepła Q przewodzonego przez jednostkę powierzchni A w jednostce czasu.
q=Q/A [W/m2]
Siłą sprawczą przewodzenia ciepła jest gradient temperatury. Dlatego przewodzenie ciepła nie zachodzi, gdy temperatura w całym ciele jest jednakowa. Strumień ciepła jest wielkością wektorową, charakteryzującą kierunek, zwrot i wielkość przepływu ciepła.
Z zależności wynika, że natężenie strumienia cieplnego jest wprost proporcjonalne do gradientu temperatury mierzonego wzdłuż kierunku przewodzenia ciepła. Jeżeli gradient temperatury jest niezależny od czasu, to proces przewodzenia ciepła jest ustalony. Znak minus we wzorze oznacza, że ciepło płynie w kierunku przeciwnym do wzrastającej temperatury.
4. Opisać podstawy wymiany ciepła przez przewodzenie
KONWEKCJA
Przekazywanie ciepła przez konwekcję polega na wymianie ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego a stykającym się z tą powierzchnią cieczą lub gazem. Równanie na prędkość wymiany ciepła przez konwekcję zostało zaproponowane przez Newtona w postaci
gdzie:
q - natężenie strumienia ciepła charakteryzujące prędkość konwekcyjnej wymiany ciepła przez jednostkę powierzchni, [W/m2],
ΔT- różnica temperatur pomiędzy powierzchnią ciała stałego a płynem, [K],
α - współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła, [W/m2·K].
Rozróżnia się dwa rodzaje konwekcji: wymuszoną i swobodną. W konwekcji wymuszonej następuje wymuszony ruch płynu spowodowany, na przykład, mieszaniem lub zastosowaniem pompy. W konwekcji swobodnej występuje naturalny ruch płynu wywołany różnicą temperatur (a tym samym różnicą gęstości) płynu w pobliżu powierzchni ciała stałego a płynu oddalonego od ścianki. Zróżnicowanie temperatur powoduje naturalną cyrkulację płynu, obserwowaną na przykład podczas gotowania wody w garnku. Nawet w przypadku turbulentnego przepływu płynu przy powierzchni ciała stałego istnieje zawsze warstwa, w której przepływ jest laminarny. Tak więc cząstki płynu na powierzchni ciała stałego mają prędkość tego ciała. Oznacza to, że mechanizm wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego, a płynem musi wiązać się także z przewodzeniem ciepła przez warstwy przypowierzchniowe.
Konwekcja, jako proces:
Konwekcja jest jednym z kilku mechanizmów transportu energii cieplnej (wymiany ciepła), np. przenoszenie za pomocą dyfuzji molekularnej, dyfuzji turbulencyjnej, adwekcja (przenoszenie, konwekcja) ciepła. Konwekcja jest wydajnym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależnym od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.
PROMIENIOWANIE (elektromagnetyczne)
6. Opisać podstawy wymiany ciepła przez promieniowanie
Promieniowanie termiczne polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego fal elektromagnetycznych, takich samych jak fale promieniowania świetlnego, lecz obejmujących cały zakres długości fal od zera do nieskończoności lub selektywnie tylko niektóre długości fal. W wyniku promieniowania termicznego energia wewnętrzna ciała przekształca sie w energie radiacyjną (promieniowania elektromagnetycznego), która po napotkaniu innych ciał lub innych części tego samego ciała częściowo lub całkowicie jest pochłaniana i przekształcana w energię wewnętrzną. Jeżeli ilość energii wypromieniowanej jest różna od ilości energii pochłoniętej przez powierzchnię, to powstaje radiacyjna wymiana ciepła (wymiana ciepła przez promieniowanie). Cechą charakterystyczną radiacyjnej wymiany ciepła jest to, że nie odbywa sie ona między ciałami stykającymi sie, lecz miedzy ciałami rozdzielonymi ośrodkiem przenikliwym dla promieniowania termicznego lub nawet próżnią. Radiacyjna wymiana ciepła może odbywać sie również miedzy bezpośrednio stykającymi się częściami o różnych temperaturach ośrodka emitującego, pochłaniającego i rozpraszającego promieniowanie, tzw. ośrodka optycznie czynnego.
Promieniowanie cieplne (termiczne) to promieniowanie, które emituje ciało mające temperaturę większa od zera bezwzględnego. Promieniowanie to jest fala elektromagnetyczna o określonym widmie częstotliwości. Przykładem promieniowania cieplnego jest podczerwień emitowana przez wszystkie ciała w naszym otoczeniu (mające temperaturę zbliżona do temperatury pokojowej).
Promieniowanie większości ciał, z wyjątkiem rozrzedzonych gazów i barwników, jest do siebie zbliżone posiadając wiele wspólnych cech. Fizycy wprowadzili pojecie ciało doskonale czarne, którego emisja w danej temperaturze jest największa ze wszystkich ciał. Promieniowanie tła też charakteryzuje sie widmem zbliżonym do promieniowania cieplnego
Mechanizm transportu energii przez promieniowanie różni się zasadniczo od przewodzenia i konwekcji, ponieważ w tym przypadku niepotrzebny jest żaden ośrodek przenoszenia energii. Przepływ energii przez promieniowanie osiąga wartość maksymalną, gdy dwie powierzchnie wymieniające energię rozdzielone są idealną próżnią. Dokładny mechanizm przenoszenia energii przez promieniowanie nie jest zupełnie poznany. Wymienia się zarówno falowy, jak i korpuskularny charakter tego transferu. Równanie opisujące gęstość strumienia emisji energii z idealnego źródła promieniowania, czyli tzw. ciała doskonale czarnego, określa prawo Stefana-Boltzmanna
gdzie:
q - strumień energii wypromieniowanej przez jednostkę powierzchni, [W/m2],
T - absolutna temperatura ciała emitującego, [K],
σ0 - stała Stefana - Boltzmanna, równa 5,672·10-8[W/m·K].
W zeszycie jest taki wzór
E=σ(Ts-T2)
Źródła:
http://student.agh.edu.pl/~fiedor/materialy/wymiana%20ciepla%20opracowanie.pdf
http://student.agh.edu.pl/~fiedor/materialy/Przewodzenie_ciepla.pdf
http://www.pomoc-dydaktyczna.tce.put.poznan.pl/Podstawy%20in%C5%BCynierii%20chemicznej%20i%20procesowej/Przewodzenie%20ciep%C5%82a.pdf
Zeszyt
Przedstawić rodzaje źródeł zanieczyszczeń powietrza oraz podać mechanizmy transportu zanieczyszczeń.
Punktowe - emituje zanieczyszczenia z określonego punktu w przestrzeni (np. z komina). Powierzchnia wylotu jest znacznie mniejsza od obszaru do którego dociera zanieczyszczenie
Liniowe - zanieczyszczenie jest emitowane z emitorów ułożonych wzdłuż linii (np. szlaki komunikacyjne, otwarte kanały ściekowe.)
Powierzchniowe - emitują zanieczyszczenia z powierzchni. Zalicza się do nich zbiorniki sedymentacyjne, wysypiska odpadów czy też bagna. Wielkość emisji zanieczyszczeń z takich źródeł zależy od ich wymiarów geometrycznych oraz od procesów zachodzących wewnątrz zbiorników.
Objętościowe- zanieczyszczenie wypełnia pomieszczenie. (duże, źle wentylowane hale fabryczne)
Inny podział źródeł
Chwilowe - emitujące zanieczyszczenia przez bardzo krótki okres czasu
Ciągłe - gdy zanieczyszczenie jest emitowane przez dłuższy okres czasu
b) Mechanizmy transportu zanieczyszczeń
Dyfuzja turbulentna (mieszanie zanieczyszczeń z powietrzem)
Turbulencja może być:
-dynamiczna- związana z gradientem prędkości wiatru
-termiczna- związana z ruchem konwekcyjnym powietrza
Na podstawie:
-http://kft.umcs.lublin.pl/kmur/download/prace_dr/J_Michalczyk.pdf
- materiały z forum od Sławka F.
-Notatki z FŚ
Inwersja temperatury (inwersja termiczna lub po prostu inwersja) to w meteorologii zjawisko atmosferyczne polegające na wzroście temperatury powietrza wraz z wysokością.
Zjawisko to może wywoływać inne efekty w atmosferze, które mogą być widoczne np. gromadzenie się mgły lub różnice w zanieczyszczeniu atmosfery.
Z tego samego powodu, inwersje zalegające przez dłuższy czas mogą wpływać na intensyfikowanie się zjawiska smogu nad obszarami o dużej emisji zanieczyszczeń.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Inwersja_temperatury
Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu w znacznym stopniu zależy od stanu równowagi warstwy granicznej. Przy równowadze stałej występują warunki sprzyjające koncentracji zanieczyszczeń w przyziemnej warstwie atmosfery, natomiast równowaga chwiejna sprzyja rozpraszaniu się zanieczyszczeń. Czasami może dojść do wystąpienia warstwy inwersyjnej, która w istotnym stopniu wpływa na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w atmosferze, ponieważ stanowi naturalną barierę w transporcie zanieczyszczeń. W warstwie inwersyjnej zanieczyszczenia unoszone ku górze w pewnej objętości powietrza są zimniejsze od gazów stanowiących ich otoczenie. W takich warunkach termicznych siła wyporu jest skierowana w dół i w tym jedynie kierunku mogą przemieszczać się zanieczyszczenia.
http://www.mojeopinie.pl/wplyw_warunkow_meteorologicznych_na_stan_czystosci_miejskiego_powietrza,3,1237036976
4. Wyjaśnić na czym polega efekt cieplarniany i co jest przyczyną tego zjawiska.
Efekt cieplarniany zwany również szklarniowym, to zjawisko ocieplenia się klimatu Ziemi, polegające na zatrzymywaniu pewnej ilości ciepła emitowanego do atmosfery. Znaczna część promieniowania słonecznego (promieniowanie krótkofalowe o długości fali od 0,1 do 4 mm) jest przepuszczana przez atmosferę ziemską i pochłaniana przez powierzchnię Ziemi, co powoduje jej ogrzanie. Wskutek ocieplenia powierzchni Ziemi następuje emisja promieniowania podczerwonego (promieniowanie długofalowe o długości fali od 4 do 80 mm). Znaczna część tego promieniowania jest pochłaniana przez znajdujące się w atmosferze cząsteczki wody, dwutlenku węgla i innych gazów. Energia cieplna jest teraz przekazywana przez atmosferę głównie z powrotem do powierzchni Ziemi w postaci tzw. promieniowania zwrotnego a tylko częściowo w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie zwrotne ogrzewa ponownie powierzchnię Ziemi, dlatego jest podstawową przyczyną występowania na naszej planecie efektu cieplarnianego. Energia oddawana przez naszą planetę jest mniejsza od energii przyjmowanej pochodzącej ze Słońca.
Na powstanie efektu cieplarnianego ma wpływ wzrost zawartości gazów: głównie dwutlenku węgla (CO2), freonów, metanu (CH4) i podtlenku azotu (N2O). Pośrednio wpływają, również i inne gazy powstające podczas spalania, np. tlenek węgla (CO), pozostałe tlenki azotu (NO2, NO), węglowodory. Gazy te z jednej strony przepuszczają pasmo fal słonecznych ultrafioletowych, z drugiej zaś absorbują promieniowanie podczerwone, zapobiegając w ten sposób ucieczce ciepła atmosferycznego w kosmos. Proces ten jest podobny do tego, jaki występuje w szklarni lub w pozostawionym w słońcu samochodzie. Wzrost zawartości CO2 i innych gazów szklarniowych może zatem podnieść temperaturę Ziemi do niebezpiecznego poziomu, co w końcowym efekcie może przyczynić się do zmian klimatu. Skutkiem podwyższenia temperatury mogą być ogromne zmiany w globalnej strukturze i intensywności opadów.
5. Na czym polega wpływ drgań o niskiej częstości (wibracji) na zdrowie człowieka?
Infradźwiękami nazywamy fale mechaniczne rozchodzące się w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych mające charakter fal dźwiękowych (wibracje powietrzne), lecz o częstotliwościach niższych od dolnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, f < 16 Hz (20 Hz).
Źródłami infradźwięków mogą być uderzenia piorunów, wiatry fenowe (mistral, halny, wstrząsy tektoniczne). W wyniku działalności człowieka infradźwięki powstają podczas pracy dużych wentylatorów, silników wysokoprężnych, są obecne w halach fabrycznych, na statkach. Infradźwięki, jak wszystkie fale o niskiej częstotliwości rozchodzą się na duże odległości.
Wibracje przenoszone są na organizm przez bezpośredni kontakt z układami drgającymi. Ich oddziaływanie zależy od amplitudy i częstotliwości. Drgania o pewnych częstotliwościach mogą powodować rezonans narządów. Szczególnie niebezpieczne są wibracje o częstotliwościach 4 - 18 Hz. Mogą powodować bóle klatki piersiowej, zaburzenia oddechowe, zmiany ciśnienia krwi. Długotrwałe oddziaływanie wibracji prowadzi do choroby wibracyjnej objawiającej się zaburzeniem krążenia, wzmożonym drżeniem kończyn i bólami o różnej lokalizacji.
Człowiek jak i zwierzęta źle znosi wibracje ziemi. W czasie zagrożenia trzęsieniem ziemi ludzie wpadają w panikę a zwierzęta wykazują nadmierną nerwowość.
Wibracjom towarzyszą różne objawy chorobowe: neurowegetatywne, gastryczne, zmiany ciśnienia, zmiany w rytmu serca.
Trudno wskazać epidemiologiczne lub fizjologiczne przyczyny tych dolegliwości.
Szkodliwe efekty wibracji zależą od ich częstotliwości i natężenia.
Długotrwałe wibracje powodują bóle stawów, grzbietu oraz części lędźwiowej kręgosłupa. Dolegliwości te pojawiają się u kierowców samochodów ciężarowych, rolników, operatorów maszyn drogowych po 30-40 latach.
Wibracje < 2 Hz wywołują chorobę komunikacyjną (jednym z jej typów jest choroba morska) z nudnościami, wymiotami. Objawy nasilają się przy koncentrowaniu wzroku na przedmiotach, które znajdują się w pobliżu i również się poruszają.
Wibracje 5 Hz powodują zmniejszenie ostrości widzenia poprzez rezonans oraz kłopoty z koordynacją przedniego odcinka oka, utrudniają akomodację.
Wibracje 5 do 15 Hz mają wpływ na układ oddechowy. Mięśnie oddechowe dostosowują swoją pracę do wibracji i oddychanie jest utrudnione.
Wibracje od 10 do 30 Hz powodują drgania pola widzenia (na przykład drgania 18 Hz w helikopterach utrudniają odczytanie podziałki na wskaźnikach pokładowych
strony.awf.edu.pl/rehabilitacja/biofizyka/Wyklad_06_2006.ppt
Zaburzenia występują również, m.in. w narządzie przedsionkowo-ślimakowym, narządach układu rozrodczego, narządach klatki piersiowej, narządach jamy nosowo-gardłowej.
http://www.ochronapracy.pl/6619.html
Liczne eksperymenty na ludziach potwierdziły, że największą wrażliwością na drgania całego
organizmu charakteryzuje się układ nerwowy i układ krążenia. Reakcje ze strony tych
układów i odpowiednich narządów objawiają się zaburzeniami ich pracy, złym
samopoczuciem psychicznym, fizycznym, a nawet uszkodzeniem przy wyższych amplitudach
oddziaływań i długich czasach ekspozycji. Mamy wtedy do czynienia z chorobą wibracyjną
(zespół wibracyjny).
http://neur.am.put.poznan.pl/wa/3.3.pdf
Poza wymienionymi skutkami biologicznymi występują również:
Wzrost czasu reakcji ruchowej;
Wzrost czasu reakcji wzrokowej;
Problemy z koordynacją ruchów;
Rozdrażnienie;
Problemy z pamięcią;
Bezsenność;
Wyszukiwarka