Нагревание атмосферы земли. О тепловой энергии простым языком! Расход теплоносителя на калорифер
Когда солнце греет сильнее – когда оно стоит выше над головой или когда ниже?
Солнце греет сильнее, когда стоит выше. Солнечные лучи в этом случае падают под прямым, или близким к прямому углом.
Какие виды вращения Земли вам известны?
Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Почему на Земле происходит смена дня и ночи?
Смена дня и ночи – результат осевого вращения Земли.
Определите, как отличается угол падения солнечных лучей 22 июня и 22 декабря на параллелях 23,5° с. ш. и ю. ш.; на параллелях 66,5° с. ш. и ю. ш.
22 июня угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 900, ю.ш. – 430. На параллели 66,50 с.ш. – 470, 66,50 ю.ш. – скользящий угол.
22 декабря угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 430, ю.ш. – 900. На параллели 66,50 с.ш. – скользящий угол, 66,50 ю.ш. – 470.
Подумайте, почему самые теплые и холодные месяцы - не июнь и декабрь, когда солнечные лучи имеют наибольший и наименьший углы падения на земную поверхность.
Атмосферный воздух нагревается от земной поверхности. Поэтому в июне происходит нагревание земной поверхности, а температура достигает максимума в июле. Тоже происходит зимой. В декабре выхолаживается земная поверхность. В январе остывает воздух.
Определите:
среднюю суточную температуру по показателям четырех измерений за сутки:-8°С, -4°С,+3°С,+1°С.
Среднесуточная температура -20С.
среднюю годовую температуру Москвы, используя данные таблицы.
Среднегодовая температура 50С.
Определите суточную амплитуду температур для показателей термометров на рисунке 110, в.
Амплитуда температур на рисунке в 180С.
Определите, на сколько градусов годовая амплитуда в Красноярске больше, чем в Санкт-Петербурге, если средняя температура июля в Красноярске +19°С, а января- -17°С; в Санкт-Петербурге +18°С и -8°С соответственно.
Амплитуда температур в Красноярске 360С.
Амплитуда температур в Санкт-Петербурге 260С.
Амплитуда температур в Красноярске больше на 100С.
Вопросы и задания
1. Как происходит нагревание воздуха атмосферы?
Пропуская солнечные лучи, атмосфера от них почти не нагревается. Нагревается же земная поверхность, и сама становится источником тепла. Именно от нее нагревается атмосферный воздух.
2. Насколько градусов уменьшается температура в тропосфере при подъеме на каждые 100 м?
При подъеме вверх па каждый километр температура воздуха понижается на 6 0С. Значит, на 0,60 на каждые 100 м.
3. Вычислите температуру воздуха за боротом самолета, если высота полета 7 км, а температура у поверхности Земли +200С.
Температура при подъеме на 7 км понизится на 420. Значит, температура за бортом самолета составит -220.
4. Можно ли в горах на высоте 2500 м встретить летом ледник, если у подножий гор температура +250С.
Температура на высоте 2500 м составит +100С. Ледник на высоте 2500 м не встретится.
5. Как и почему изменяется температура воздуха в течение суток?
Днем солнечные лучи освещают земную поверхность и прогревают ее, от нее нагревается и воздух. Ночью поступление солнечной энергии прекращается, и поверхность вместе с воздухом постепенно остывает. Солнце наиболее высоко стоит над горизонтом в полдень. В это время поступает больше всего солнечной энергии. Однако самая высокая температура наблюдается через 2-3 ч после полудня, так как на передачу тепла от поверхности Земли к тропосфере требуется время. Самая низкая температура бывает перед восходом солнца.
6. От чего зависит разница в нагревании поверхности Земли в течении года?
В течение года на одной и той же территории солнечные лучи падают на поверхность по-разному. Когда угол падения лучей более отвесный, поверхность получает больше солнечной энергии, температура воздуха повышается и наступает лето. Когда солнечные лучи наклонены сильнее, поверхность нагревается слабо. Температура воздуха в это время понижается, и наступает зима. Самый теплый месяц в Северном полушарии - июль, а самый холодный - январь. В Южном полушарии - наоборот: самый холодный месяц года - июль, а самый теплый - январь.
Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,...
Энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности .
Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.
Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия , которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.
Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!
Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1 .
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 -Q2 .
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 -Q3 .
5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 -Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)
Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.
Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.
Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.
Главные формулы теплопередачи.
Формулы очень просты.
Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:
1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:
1.1. При нагревании (охлаждении):
Q = m * c *(Т2 -Т1 )
m – масса вещества в кг
с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)
1.2. При плавлении (замерзании):
Q = m * λ
λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг
1.3. При кипении, испарении (конденсации):
Q = m * r
r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг
2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:
2.1. При сгорании топлива:
Q = m * q
q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг
2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):
Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t/ R) *U ^2
t – время в с
I – действующее значение тока в А
U – действующее значение напряжения в В
R – сопротивление нагрузки в Ом
Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c , λ , r , q ) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).
Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:
N =Q /t
Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.
Расчет в Excel прикладной задачи.
В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…
Условия задачи:
В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)
Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc .
С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице « ».
Исходные данные:
1. Названия веществ пишем:
в ячейку D3: Сталь
в ячейку E3: Лед
в ячейку F3: Лед/вода
в ячейку G3: Вода
в ячейку G3: Воздух
2. Названия процессов заносим:
в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев
в ячейку F4: таяние
3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно
в ячейку D5: 460
в ячейку E5: 2110
в ячейку G5: 4190
в ячейку H5: 1005
4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем
в ячейку F6: 330000
5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда
в ячейку D7: 3000
в ячейку E7: 20
Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то
в ячейках F7 и G7: =E7 =20
Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес
в ячейке H7: =24*15*7*1,23 =3100
6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали
в ячейку D8: 60
Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно
в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7
в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0
в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4
Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем
в ячейке H8: =D8 =60,0
7. Начальную температуру всех веществ T 1 в ˚C заносим
в ячейку D9: -37
в ячейку E9: -37
в ячейку F9: 0
в ячейку G9: 0
в ячейку H9: -37
8. Конечную температуру всех веществ T 2 в ˚C заносим
в ячейку D10: 18
в ячейку E10: 0
в ячейку F10: 0
в ячейку G10: 18
в ячейку H10: 18
Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.
Результаты расчетов:
9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем
для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900
для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561
для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000 = 6600
для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508
для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330
Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем
в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900
В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).
10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается
для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60) =21,083
для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60) = 2,686
для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60) = 2,686
для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60) = 2,686
для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60) = 47,592
Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается
в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.
На этом расчет в Excel завершен.
Выводы:
Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.
При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).
Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.
Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.
После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда - в папку « Спам» )!
Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.
Жду вопросы и комментарии на статью!
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Основным источником тепла, нагревающим земную поверхность и атмосферу, служит солнце. Другие источники – луна, звезды, разогретые недра Земли – поставляют столь малое количество тепла, что ими можно пренебречь.
Солнце излучает в мировое пространство колоссальную энергию в виде тепловых, световых, ультрафиолетовых и других лучей. Вся совокупность лучистой энергии Солнца называется солнечной радиацией. Земля получает ничтожную долю этой энергии – одну двухмиллиардную часть, которой, однако, достаточно не только для поддержания жизни, но и для осуществления экзогенных процессов в литосфере, физико-химических явлений в гидросфере и атмосфере.
Различают радиацию прямую, рассеянную и суммарную.
При ясной, безоблачной погоде поверхность Земли нагревается в основном прямой радиацией, которую мы ощущаем как теплые или горячие солнечные лучи.
Проходя через атмосферу, солнечные лучи отражаются от молекул воздуха, капелек воды, пылинок, отклоняются от прямолинейного пути и рассеиваются. Чем пасмурнее погода, тем плотнее облачность и тем большее количество радиации рассеивается в атмосфере. При сильной запыленности воздуха, например во время пыльных бурь или в промышленных центрах, рассеивание ослабляет радиацию на 40–45 %.
Значение рассеянной радиации в жизни Земли очень велико. Благодаря ей освещаются предметы, находящиеся в тени. Она же обусловливает цвет неба.
Интенсивность радиации зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Когда солнце находится высоко над горизонтом, его лучи преодолевают атмосферу более коротким путем, следовательно, меньше рассеиваются и сильнее нагревают поверхность Земли. По этой причине в солнечную погоду утром и вечером всегда прохладнее, чем в полдень.
На распределение радиации на поверхности Земли огромное влияние оказывают ее шарообразность и наклон земной оси к плоскости орбиты. В экваториальных и тропических широтах солнце в течение всего года находится высоко над горизонтом, в средних широтах его высота меняется в зависимости от времени года, а в Арктике и Антарктике высоко над горизонтом оно не поднимается никогда. В результате в тропических широтах солнечные лучи рассеиваются меньше, а на единицу площади земной поверхности приходится их большее количество, чем в средних или высоких широтах. По этой причине количество радиации зависит от широты места: чем дальше от экватора, тем меньше ее поступает на земную поверхность.
Поступление лучистой энергии связано с годичным и суточным движением Земли. Так, в средних и высоких широтах ее количество зависит от времени года. На Северном полюсе, например, летом солнце не заходит за горизонт 186 дней, т. е. 6 месяцев, и количество поступающей радиации даже больше, чем на экваторе. Однако солнечные лучи имеют малый угол падения, и большая часть радиации рассеивается в атмосфере. В результате поверхность Земли нагревается незначительно.
Зимой солнце в Арктике находится за горизонтом, и прямая радиация на поверхность Земли не поступает.
На количество поступающей солнечной радиации влияет и рельеф земной поверхности. На склонах гор, холмов, оврагов и т. д., обращенных к солнцу, угол падения солнечных лучей увеличивается, и они сильнее нагреваются.
Совокупность всех этих факторов приводит к тому, что на земной поверхности нет места, где интенсивность радиации была бы постоянной.
Неодинаково происходит и нагревание суши и воды. Поверхность суши нагревается и охлаждается быстро. Вода же нагревается медленно, но зато дольше удерживает тепло. Объясняется это тем, что теплоемкость воды больше теплоемкости горных пород, слагающих сушу.
На суше солнечные лучи нагревают только поверхностный слой, а в прозрачной воде тепло проникает на значительную глубину, в результате чего нагревание происходит медленнее. На его скорость влияет и испарение, так как на него нужно много тепла. Вода остывает медленно, в основном потому, что объем прогреваемой воды во много раз больше объема нагревающейся суши; к тому же при ее охлаждении верхние, остывшие слои воды опускаются на дно, как более плотные и тяжелые, а на смену им из глубины водоема поднимается теплая вода.
Накопленное тепло вода расходует более равномерно. В результате море в среднем теплее суши, а колебания температуры воды никогда не бывают такими резкими, как колебания температуры суши.
Температура воздуха
Солнечные лучи, проходя через прозрачные тела, нагревают их очень слабо. По этой причине прямые солнечные лучи почти не нагревают воздух атмосферы, а нагревают поверхность Земли, от которой прилегающим слоям воздуха передается тепло. Нагреваясь, воздух становится более легким и поднимается вверх, где перемешивается с более холодным, в свою очередь нагревая его.
По мере поднятия вверх воздух охлаждается. На высоте 10 км температура постоянно держится на отметке 40–45 °C.
Понижение температуры воздуха с высотой – это общая закономерность. Однако нередко наблюдается и повышение температуры по мере поднятия вверх. Такое явление называют температурной инверсией, т. е. перестановкой температур.
Возникают инверсии либо при быстром охлаждении земной поверхности и прилегающего воздуха, либо, наоборот, при стекании тяжелого холодного воздуха по склонам гор в долины. Там этот воздух застаивается и вытесняет более теплый вверх по склонам.
В течение суток температура воздуха не остается постоянной, а непрерывно изменяется. Днем поверхность Земли нагревается и нагревает прилегающий слой воздуха. Ночью Земля излучает тепло, охлаждается, и происходит охлаждение воздуха. Наиболее низкие температуры наблюдаются не ночью, а перед восходом солнца, когда земная поверхность уже отдала все тепло. Аналогично этому наиболее высокие температуры воздуха устанавливаются не в полдень, а около 15 ч.
На экваторе суточный ход температур однообразен, днем и ночью они почти одинаковы. Очень незначительны суточные амплитуды на морях и у морских побережий. А вот в пустынях днем поверхность земли часто нагревается до 50–60 °C, а ночью нередко охлаждается до 0 °C. Таким образом, суточные амплитуды превышают здесь 50–60 °C.
В умеренных широтах наибольшее количество солнечной радиации поступает на Землю в дни летних солнцестояний, т. е. 22 июня в Северном полушарии и 21 декабря в Южном. Однако самым жарким месяцем является не июнь (декабрь), а июль (январь), так как в день солнцестояния огромное количество радиации расходуется на нагревание земной поверхности. В июле (январе) радиация уменьшается, но эта убыль компенсируется сильно нагретой земной поверхностью.
Аналогично этому самый холодный месяц не июнь (декабрь), а июль (январь).
На море, в связи с тем что вода более медленно охлаждается и нагревается, смещение температур еще больше. Здесь самый жаркий месяц август, а самый холодный – февраль в Северном полушарии и соответственно самый жаркий – февраль и самый холодный – август в Южном.
Годовая амплитуда температур в значительной степени зависит от широты места. Так, на экваторе амплитуда в течение года остается почти постоянной и составляет 22–23 °C. Самые высокие годовые амплитуды характерны для территорий, расположенных в средних широтах в глубине континентов.
Любая местность характеризуется также абсолютными и средними температурами. Абсолютные температуры устанавливают путем многолетних наблюдений на метеостанциях. Так, самое жаркое (+58 °C) место на Земле находится в Ливийской пустыне; самое холодное (-89,2 °C) – в Антарктиде на станции «Восток». В Северном полушарии самая низкая (-70,2 °C) температура отмечена в поселке Оймякон в Восточной Сибири.
Средние температуры определяют как среднеарифметическое нескольких показателей термометра. Так, чтобы определить среднесуточную температуру, производят измерения в 1; 7; 13 и 19 ч, т. е. 4 раза в сутки. Из полученных цифр находят среднеарифметическую величину, которая и будет среднесуточной температурой данной местности. Затем находят среднемесячные и среднегодовые температуры как среднеарифметическое среднесуточных и среднемесячных.
На карте можно обозначить точки с одинаковыми значениями температур и провести линии, соединяющие их. Эти линии называют изотермами. Наиболее показательны изотермы января и июля, т. е. самого холодного и самого теплого месяца в году. По изотермам можно определить, как распределяется тепло на Земле. При этом прослеживаются отчетливо выраженные закономерности.
1. Самые высокие температуры наблюдаются не на экваторе, а в тропических и субтропических пустынях, где преобладает прямая радиация.
2. В обоих полушариях температуры понижаются от тропических широт к полюсам.
3. В связи с преобладанием моря над сушей ход изотерм в Южном полушарии более плавный, а амплитуды температур между самым жарким и самым холодным месяцем меньше, чем в Северном.
Расположение изотерм позволяет выделить 7 тепловых поясов:
1 жаркий, расположенный между годовыми изотермами 20 °C в Северном и Южном полушариях;
2 умеренных, заключенных между изотермами 20 и 10 °C самых теплых месяцев, т. е. июня и января;
2 холодных, расположенных между изотермами 10 и 0 °C также самых теплых месяцев;
2 области вечного мороза, в которых температура самого теплого месяца ниже 0 °C.
Границы поясов освещенности, проходящие по тропикам и полярным кругам, не совпадают с границами тепловых поясов.
1. Расход тепла на подогрев приточного воздуха
Q т =L∙ρ возд. ∙с возд. ∙(t вн. - t нар.),
где:
ρ возд. – плотность воздуха. Плотность сухого воздуха при 15°С на уровне моря составляет 1,225 кг/м³;
с возд. – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг∙К)=0,24 ккал/(кг∙°С);
t вн. – температура воздуха на выходе из калорифера, °С;
t нар. – температура наружного воздуха, °С (темп-ра воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по Строительной климатологии).
2. Расход теплоносителя на калорифер
G= (3,6∙Q т)/(с в ∙(t пр -t обр)),
где:
3,6 - коэффициент перевода Вт в кДж/ч (для получения расхода в кг/ч);
G - расход воды на теплоснабжение калорифера, кг/ч;
Q т – тепловая мощность калорифера, Вт;
с в – удельная теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг∙К)=1 ккал/(кг∙°С);
t пр. – температура теплоносителя (прямая линия), °С;
t нар. – температура теплоносителя (обратная линия), °С.
3. Выбор диаметра труб для теплоснабжения калорифера
Расход воды на калорифер , кг/ч4. I-d диаграмма процесса нагрева воздуха
Процесс нагрева воздуха в калорифере протекает при d=const (при неизменном влагосодержании).
Нагревание атмосферы (температура воздуха).
Атмосфера получает больше тепла от подстилающей земной поверхности, чем непосредственно от Солнца. Тепло передается атмосфере посредством молекулярной теплопроводности ,конвекции , выделения удельной теплоты парообразования при конденсации водяного пара в атмосфере. Поэтому температура в тропосфере с высотой обычно понижается. Но если поверхность отдает воздуху больше тепла, чем за то же время получает, она охлаждается, от нее охлаждается и воздух над ней. В этом случае температура воздуха с высотой, наоборот, повышается. Такое положение называется температурной инверсией . Ее можно наблюдать летом в ночное время, зимой - над снежной поверхностью. Температурная инверсия обычна в полярных областях. Причиной инверсии, кроме охлаждения поверхности, может быть вытеснение теплого воздуха подтекающим под него холодным или стекание холодного воздуха на дно межгорных котловин.
В спокойной тропосфере температура с высотой в среднем понижается на 0,6° на каждые 100 м. При поднятии сухого воздуха этот показатель увеличивается и может достигать 1° на 100 м., а при поднятии влажного – уменьшается. Это объясняется тем, что поднимающийся воздух расширяется и на это затрачивается энергия (тепло), а при поднятии влажного воздуха происходит конденсация водяного пара, сопровождающаяся выделением тепла.
Понижение температуры поднимающегося воздуха - главная причина образования облаков . Опускающийся воздух, попадая под большое давление, сжимается, и температура его повышается.
Температура воздуха периодически изменяется в течение суток и в течение года.
В суточном ее ходе наблюдается один максимум (после полудня) и один минимум (перед восходом солнца). От экватора к полюсам суточные амплитуды колебания температуры убывают. Но при этом над сушей они всегда больше, чем над океаном.
В годовом ходе температуры воздуха на экваторе - два максимума (после равноденствий) и два минимума (после солнцестояний). В тропических, умеренных и полярных широтах - по одному максимуму и по одному минимуму. Амплитуды годовых колебаний температуры воздуха с увеличением широты возрастают. На экваторе они меньше суточных: 1-2°С над океаном и до 5°С - над сушей. В тропических широтах - над океаном - 5°С, над сушей - до 15°С. В умеренных широтах от 10-15°С над океаном до 60°С и более над сушей. В полярных широтах преобладает отрицательная температура, ее годовые колебания достигают 30-40°С.
Правильный суточный и годовой ход температуры воздуха, обусловленный изменениями высоты Солнца над горизонтом и продолжительностью дня, осложняется непериодическими изменениями, вызываемыми перемещениями масс воздуха, имеющих разную температуру. Общая закономерность распределения температуры в нижнем слое тропосферы -ее понижение в направлении от экватора к полюсам.
Если бы средняя годовая температура воздуха зависела только от широты, ее распределение в Северном и Южном полушариях было бы одинаковым. В действительности же на ее распределение существенно влияют различия в характере подстилающей поверхности и перенос тепла из низких широт в высокие.
Вследствие переноса тепла на экваторе температура воздуха ниже, а на полюсах выше, чем была бы без этого процесса. Южное полушарие холоднее Северного главным образом из-за покрытой льдом и снегом суши у Южного полюса. Средняя температура воздуха в нижнем двухметровом слое для всей Земли +14°С, что соответствует средней годовой температуре воздуха на 40° с.ш.
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ОТ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ШИРОТЫ
Распределение температуры воздуха у земной поверхности показывают посредством изотерм - линий, соединяющих места с одинаковой температурой. Изотермы не совпадают с параллелями. Они изгибаются, переходя с материка на океан и наоборот.
Давление атмосферы
Воздух имеет массу и вес, поэтому оказывает давление на соприкасающуюся с ним поверхность. Давление, оказываемое воздухом на земную поверхность и все, находящиеся на ней предметы, называется атмосферным давлением . Оно равно весу вышележащего столба воздуха и зависят от температуры воздуха: чем выше температура, тем ниже давление.
Давление атмосферы на подстилающую поверхность составляет в среднем 1,033 г на 1 см 2 (больше 10 т на м 2 ). Измеряется давление в миллиметрах ртутного столба, миллибарах (1 мб = 0,75 мм рт. ст.) и в гектопаскалях (1 гПа = 1 мб). С высотой давление понижается: В нижнем слое тропосферы до высоты 1 км оно понижается на 1 мм рт. ст. на каждые 10 м. Чем выше, тем давление понижается медленнее. Нормальное давление на уровне океана – 760 мм. Рт. ст.
Общее распределение давления да поверхности Земли имеет зональный характер:
|
Время года |
Над материком |
Над океаном |
|
|
На экваториальных широтах |
|||
|
На тропических широтах |
|||
|
Низкое |
Высокое |
||
|
На умеренных широтах |
Высокое |
Низкое |
|
|
Низкое |
|||
|
На полярных широтах |
|||
Таким образом, и зимой и летом, и над материками и над океаном чередуются зоны высокого и низкого давления. Распределение давления хорошо видно на картах изобар января и июля. Изобары - линии, соединяющие места с одинаковым давлением. Чем ближе они располагаются друг к другу, тем быстрее изменяется давление с расстоянием. Величина изменения давления на единицу расстояния (100 км) называется барическим градиентом .
Изменение давления объясняется перемещением воздуха. Оно повышается там, где воздуха становится больше, и понижается там, откуда воздух уходит. Главная причина перемещения воздуха - его нагревание и охлаждение от подстилающей поверхности . Нагреваясь от поверхности, воздух расширяется и устремляется вверх. Достигнув высоты, на которой его плотность оказывается больше плотности окружающего воздуха, он растекается в стороны. Поэтому давление на теплую поверхность понижается (экваториальные широты, материковая часть тропических широт летом). Но одновременно на соседние участки оно увеличивается, хотя температура там не изменялась (тропические широты зимой).
Над холодной поверхностью воздух охлаждается и уплотняется, прижимаясь к поверхности (полярные широты, материковая часть умеренных широт зимой). Наверху его плотность уменьшается, и сюда приходит воздух со стороны. Количество его над холодной поверхностью увеличивается, давление на нее возрастает. Одновременно там, откуда воздух ушел, давление уменьшается без изменения температуры. Нагревание и охлаждение воздуха от поверхности сопровождается его перераспределением и изменением давления.
В экваториальных широтах давление всегда пониженное . Это объясняется тем, что нагревающийся от поверхности воздух поднимается и уходит в сторону тропических широт, создавая там повышенное давление.
Над холодной поверхностью в Арктике и Антарктиде давление повышенное . Его создает воздух, приходящий из умеренных широт на место уплотнившегося холодного воздуха. Отток воздуха в полярные широты - причина понижения давления в умеренных широтах.
В результате формируются пояса пониженного (экваториальный и умеренные) и повышенного давления (тропические и полярные). В зависимости от сезона они несколько смещаются в сторону летнего полушария («вслед за Солнцем»).
Полярные области высокого давления зимой расширяются, летом сокращаются, но существуют весь год. Пояса пониженного давления весь год сохраняются близ экватора и в умеренных широтах Южного полушария.
Зимой в умеренных широтах Северного полушария давление над материками сильно повышается и пояс низкого давления «разрывается». Замкнутые области пониженного давления сохраняются только над океанами - Исландский и Алеутский минимумы . Над материками, наоборот, образуются зимние максимумы :Азиатский (Сибирский ) и Северо-Американский . Летом в умеренных широтах Северного полушария, пояс пониженного давления восстанавливается.
Огромная область пониженного давления с центром в тропических широтах формируется летом над Азией - Азиатский минимум . В тропических широтах материки всегда нагреты несколько сильнее, чем океаны, и давление над ними ниже. Поэтому над океанами существуют субтропические максимумы :Северо-Атлантический (Азорский), Северо-Тихоокеанский, Южно-Атлантический, Южно-Тихоокеанский и Южно-Индийский.
Таким образом, из-за разного нагрева и остывания материковой и водной поверхности (материковая поверхность быстрее нагревается и быстрее остывает), наличия теплых и холодных течений и других причин на Земле кроме поясов атмосферного давления могут возникать замкнутые области пониженного и повышенного давления.