Нагревание атмосферы. Нагревание атмосферного воздуха Зависит нагрев воздуха
Все жизненные процессы на Земле обусловлены тепловой энергией. Главным источником, от которого Земля и получают тепловую энергию, является Солнце. Оно излучает энергию в виде различных лучей — электромагнитных волн. Излучение Солнца в виде электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью 300000 км/с, называется , которая состоит из лучей различной длины, несущих к Земле свет и тепло.
Радиация бывает прямая и рассеянная. Не будь атмосферы, земная поверхность получала бы только прямую радиацию. Поэтому радиацию, приходящую непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей и при безоблачном небе называют прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Но, проходя через атмосферу, солнечные лучи частично рассеиваются, отклоняются от прямого пути в результате отражения от молекул воздуха, капелек воды, пылинок и переходят в лучи, идущие во всех направлениях. Такая радиация называется рассеянной. Поэтому светло бывает и в тех местах, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают (полог леса, теневая сторона скал, гор, зданий и т.д.). Рассеянная радиация обусловливает и цвет неба. Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, т.е. прямую и рассеянную, называют суммарной. Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в атмосферу. Оно называется земным излучением, или земной радиацией и в значительной мере задерживается нижними слоями атмосферы. Поглощенная земной поверхностью радиация Солнца расходуется на нагревание воды, грунтов, воздуха, испарение и излучение в атмосферу. Земная, а не определяет температурный режим тропосферы, т.е. солнечные лучи, проходящие через все , ее не нагревают. Самое большое количество тепла получают и нагреваются до наиболее высоких температур нижние слои атмосферы, непосредственно прилегающие к источнику тепла — земной поверхности. По мере удаления от земной поверхности нагревание ослабевает. Именно поэтому в тропосфере с высотой понижается в среднем 0,6°С на каждые 100 м подъема. Это общая закономерность для тропосферы. Бывают случаи, когда вышележащие слои воздуха оказываются теплее нижележащих. Такое явление называется температурной инверсией.
Нагревание земной поверхности существенно различается не только по высоте. Количество суммарной солнечной радиации напрямую зависит от угла падения солнечных лучей Чем ближе эта величина к 90°, тем больше солнечной энергии получает земная поверхность.
В свою очередь, угол падения солнечных лучей на определенную точку земной поверхности определяется ее географической широтой. Сила прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце в зените (в районе экватора), его лучи падают на земную поверхность отвесно, т.е. преодолевают атмосферу кратчайшим путем (под 90°) и интенсивно отдают свою энергию малой площади. По мере удаления от экваториальной зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т.е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи все больше и больше начинают как бы скользить по Земле и приближаются к касательной линии в районе полюсов. При этом тот же пучок энергии рассеивается на большую площадь, увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, постоянно высокие , а по мере передвижения к полюсам становится все холоднее. Именно на полюсах, где солнечные лучи падают под углом 180° (т.е. по касательной), тепла меньше всего.
Такая неравномерность распределения тепла на Земле в зависимости от широты места позволяет выделить пять тепловых поясов: один жаркий, два и два холодных.
Условия нагревания солнечной радиацией воды и суши весьма различны. Теплоемкость воды в два раза больше, чем суши. Это значит, что при одинаковом количестве тепла суша нагревается вдвое быстрее воды, а при охлаждении происходит обратное. Кроме того, вода при нагревании испаряется, на что затрачивается немалое количество тепла. На суше тепло сосредоточивается только в верхнем ее слое, в глубину передается лишь небольшая его часть. В воде же лучи нагревают сразу значительную толщу, чему способствует и вертикальное перемешивание воды. В результате вода накапливает тепла гораздо больше, чем суша, удерживает его дольше и расходует более равномерно, чем суша. Она медленнее нагревается и медленнее охлаждается.
Поверхность суши неоднородна. Ее нагревание в значительной мере зависит от физических свойств почв и , льда, экспозиции (угла наклона участков суши по отношению к падающим солнечным лучам) склонов. Особенности подстилающей поверхности обусловливают различный характер изменения температур воздуха в течении суток и года. Наиболее низкие температуры воздуха в течении суток на суше отмечаются незадолго до восхода Солнца (отсутствие притока солнечной радиации и сильное земное излучение ночью). Наиболее высокие — после полудня (14-15 ч). В течении года в Северном полушарии наиболее высокие температуры воздуха на суше отмечаются в июле, а самые низкие — в январе. Над водной поверхностью суточный максимум температуры воздуха смещен и отмечается в 15-16 ч, а минимум через 2-3 ч после восхода Солнца. Годовой максимум (в Северном полушарии) приходится на август, а минимум — на февраль.
Проходят через прозрачную атмосферу, не нагревая ее, они достигают земной поверхности, нагревают ее, а от нее в последующем нагревается воздух.
Степень нагрева поверхности, а значит и воздуха, зависят, прежде всего, от широты местности.
Но в каждой конкретной точке она (t о) будет определяться также целым рядом факторов, среди которых основными являются:
А: высота над уровнем моря;
Б: подстилающая поверхность;
В: удаленность от побережий океанов и морей.
А – Поскольку нагревание воздуха происходит от земной поверхности, то чем меньше абсолютные высоты местности, тем выше температура воздуха (на одной широте). В условиях ненасыщенного водяными парами воздуха наблюдается закономерность: при подъеме на каждые 100 метров высоты температура (t о) уменьшается на 0,6 о С.
Б – Качественные характеристики поверхности.
Б 1 – разные по цвету и структуре поверхности по разному поглощают и отражают солнечные лучи. Максимальная отражательная способность характерна для снега и льда, минимальная для темно окрашенных почв и горных пород.
Освещение Земли солнечными лучами в дни солнцестояний и равноденствий.
Б 2 – разные поверхности имеют разную теплоемкость и теплоотдачу. Так водная масса Мирового океана, занимающего 2/3 поверхности Земли, из-за высокой теплоемкости очень медленно нагревается и очень медленно охлаждается. Суша быстро нагревается и быстро охлаждается т.е., чтобы нагреть до одинаковой t о 1 м 2 суши и 1 м 2 водной поверхности, надо затратить разное количество энергии.
В – от побережий в глубь материков количество водного пара в воздухе уменьшается. Чем более прозрачна атмосфера, тем меньше рассеивается в ней солнечных лучей, и все солнечные лучи достигают поверхности Земли. При наличии большого количества водяного пара в воздухе, капельки воды отражают, рассеивают, поглощают солнечные лучи и далеко не все они достигаются поверхности планеты, нагревание ее при этом уменьшается.
Самые высокие температуры воздуха зафиксированы в районах тропических пустынь. В центральных районах Сахары почти 4 месяца t о воздуха в тени составляет более 40 о С. В то же время на экваторе, где угол падения солнечных лучей самый большой, температура не бывает выше +26 о С.
С другой стороны, Земля как нагретое тело излучает энергию в космос в основном в длинноволновом инфракрасном спектре. Если земная поверхность укутана «одеялом» облаков, то не все инфракрасные лучи уходят с планеты, так как облака их задерживают, отражая обратно к земной поверхности.
При ясном небе, когда водяных паров в атмосфере мало, инфракрасные лучи, испускаемые планетой свободно уходят в космос, при этом происходит выхолаживание земной поверхности, которая остывает и тем самым снижается температура воздуха.
Литература
- Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.
Предварительный расчет поверхности нагрева насадки.
Q в =V в *(i в // – i в /)* τ = 232231,443*(2160-111,3)*0,7 = 333,04*10 6 кДж/цикл.
Среднелогарифмическая разница температур за цикл.
Скорость продуктов сгорания (дыма) =2,1 м/с. Тогда скорость воздуха при нормальных условиях:
6,538 м/с
Средние за период температуры воздуха и дыма.
935 о С
680 о С
Средняя температура верха насадки в дымовой и воздушный периоды
Средняя за цикл температура верха насадки
Средняя температура низа насадки в дымовом и воздушном периодах:
Средняя за цикл температура низа насадки
Определяем значение коэффициентов теплоотдачи для верха и низа насадки. Для насадки принятого типа при значении 2240
Действительную скорость дыма определяем по формуле W д =W до *(1+βt д). Действительную скорость воздуха при температуре t в и давлении воздуха р в =0,355 Мн/м 2 (абсолютных) определяем по формуле
Где 0,1013-Мн/м 2 – давление при нормальных условиях.
Значение кинематической вязкости ν и коэффициента теплопроводности λ для продуктов сгорания выбираем по таблицам. При этом учитываем, что значение λ очень мало зависит от давления, и при давлении 0,355 Мн/м 2 можно использовать значения λ при давлении 0,1013 Мн/м 2 . Кинематическая вязкость газов обратно пропорциональна давлению, того значения ν при давлении 0,1013 Мн/м 2 делим на отношение .
Эффективная длина луча для блочной насадки
= 0,0284 м
Для данной насадки м 2 /м 3 ; ν =0,7 м 3 /м 3 ; м 2 /м 2 .
Расчеты сведены в таблицу 3.1
Таблица 3.1 – Определение коэффициентов теплоотдачи для верха и низа насадки.
| Наименование, значение и единицы измерения размеров | Расчетная формула | Предварительный расчет | Уточненный расчет | ||||
| верх | низ | верх | Низ | ||||
| дым | воздух | дым | воздух | воздух | воздух | ||
| Средние за период температуры воздуха и дыма 0 С | По тексту | 1277,5 | 592,5 | 1026,7 | 355,56 | ||
| Коэффициент теплопроводности продуктов сгорания и воздуха l 10 2 Вт/(мград) | По тексту | 13,405 | 8,101 | 7,444 | 5,15 | 8,18 | 5,19 |
| Кинематическая вязкость продуктов сгорания и воздуха g 10 6 м 2 /с | Приложение | 236,5 | 52,6 | 92,079 | 18,12 | 53,19 | 18,28 |
| Определяющий диаметр канала d ,м | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | |
| Действительная скорость дыма и воздуха W м/с | По тексту | 11,927 | 8,768 | 6,65 | 4,257 | 8,712 | 4,213 |
| Re | |||||||
| Nu | По тексту | 12,425 | 32,334 | 16,576 | 42,549 | 31,88 | 41,91 |
| Коэффициент теплоотдачи конвекцией a к Вт/м 2 *град | 53,73 | 84,5 | 39,804 | 70,69 | 84,15 | 70,226 | |
| 0,027 | - | 0,045 | - | - | - | ||
| 1,005 | - | 1,055 | - | - | - | ||
| Коэффициент лучистой теплоотдачи a п Вт/м 2 *град | 13,56 | - | 5,042 | - | - | - | |
| a Вт/м 2 *град | 67,29 | 84,5 | 44,846 | 70,69 | 84,15 | 70,226 |
Теплоемкость и коэффициент теплопроводности кирпича l насадки рассчитываются по формулам:
С,кДж/(кг*град) l , Вт/(мград)
Динас 0,875+38,5*10 -5 *t 1,58+38,4*10 -5 t
Шамот 0,869+41,9*10 -5 * t 1,04+15,1*10 -5 t
Эквивалентная полутолщина кирпича определяется по формуле
мм
Таблица 3.2 – Физические величины материала и коэффициент аккумуляции тепла для верней и нижней половины регенеративной насадки
| Наименование размеров | Расчетная формула | Предварительный расчет | Уточненный расчет | |||
| верх | низ | верх | Низ | |||
| динас | шамот | динас | шамот | |||
| Средняя температура, 0 С | По тексту | 1143,75 | 471,25 | 1152,1 | 474,03 | |
| Объемная плотность,r кг/м 3 | По тексту | |||||
| Коэффициент теплопроводности l Вт/(мград) | По тексту | 2,019 | 1,111 | 2,022 | 1,111 | |
| Теплоемкость С,кДж/(кг*град) | По тексту | 1,315 | 1,066 | 1,318 | 1,067 | |
| Коэффициент температуропроводности а, м 2 /час | 0,0027 | 0,0018 | 0,0027 | 0,0018 | ||
| F 0 S | 21,704 | 14,59 | 21,68 | 14,58 | ||
| Коэффициент аккумуляции тепла h к |  | 0,942 | 0,916 | 0,942 | 0,916 | |
Как очевидно с таблицы, значение h к > ,т.е.кирпичи используется в тепловом отношении на всю его толщину. Соответственно к выше составленного принимаем значение коэффициента теплового гистерезиса для верха насадки x=2,3, для низа x=5,1.
Тогда суммарный коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:
для верха насадки
58,025 кДж/(м 2 цикл*град)
для низа насадки
60,454 кДж/(м 2 цикл*град)
В среднем для насадки в целом
59,239 кДж/(м 2 цикл*град)
Поверхность нагрева насадки
22093,13 м 2
Объем насадки
= 579,87 м 3
Площадь горизонтального сечения насадки в свету
=9,866 м 2
Аэродинамический нагрев
нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе. А. н. - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью культур, торможение происходит прежде всего в ударной волне (См. Ударная волна),
возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в
пограничном слое (См. Пограничный слой). При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т. е. температура газа вблизи поверхности движущегося тела повышается максимальная температура, до которой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т. н. температуре торможения: T
0 = Т
н + v 2 /2c p ,
где Т н -
температура набегающего воздуха, v -
скорость полёта тела, c p
- удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении. Так, например, при полёте сверхзвукового самолёта с утроенной скоростью звука (около 1 км/ сек
) температура торможения составляет около 400°C, а при входе космического аппарата в атмосферу Земли с 1-й космической скоростью (8,1 км/сек
) температура торможения достигает 8000 °С. Если в первом случае при достаточно длительном полёте температура обшивки самолёта достигнет значений, близких к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры. Из областей газа с повышенной температурой тепло передаётся движущемуся телу, происходит А. н. Существуют две формы А. н. - конвективная и радиационная. Конвективный нагрев - следствие передачи тепла из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела.
Количественно конвективный тепловой поток определяют из соотношения q k = а
(Т е -Т
w), где T e -
равновесная температура (предельная температура, до которой могла бы нагреться поверхность тела, если бы не было отвода энергии), T
w - реальная температура поверхности, a
- коэффициент конвективного теплообмена, зависящий от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, а также от других факторов. Равновесная температура близка к температуре торможения. Вид зависимости коэффициента а
от перечисленных параметров определяется режимом течения в пограничном слое (ламинарный или турбулентный). В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. Это связано с тем обстоятельством, что, помимо молекулярной теплопроводности, существенную роль в переносе энергии начинают играть турбулентные пульсации скорости в пограничном слое. С повышением скорости полёта температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит Диссоциация и Ионизация
молекул. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область - к поверхности тела. Там происходит обратная реакция (Рекомбинация),
идущая с выделением тепла. Это даёт дополнительный вклад в конвективный А. н. При достижении скорости полёта порядка 5000 м/сек
температура за ударной волной достигает значений, при которых газ начинает излучать. Вследствие лучистого переноса энергии из областей с повышенной температурой к поверхности тела происходит радиационный нагрев. При этом наибольшую роль играет излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой космической (8,1 км/сек
) радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным. При второй космической скорости (11,2 км/сек
)
их значения становятся близкими, а при скоростях полёта 13-15 км/сек
и выше, соответствующих возвращению на Землю после полётов к другим планетам, основной вклад вносит уже радиационный нагрев.
Особо важную роль А. н. играет при возвращении в атмосферу Земли космических аппаратов (например, «Восток», «Восход», «Союз»). Для борьбы с А. н. космические аппараты оснащаются специальными системами теплозащиты (См. Теплозащита). Лит.:
Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Дорренс У. Х., Гиперзвуковые течения вязкого газа, пер. с англ., М., 1966; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966. Н. А. Анфимов.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Аэродинамический нагрев" в других словарях:
Нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или др. газе. А. н. результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полёт совершается со сверхзвук. скоростью, торможение происходит прежде всего в ударной… … Физическая энциклопедия
Нагрев тела, движущегося с большой скоростью в воздухе (газе). Заметный аэродинамический нагрев наблюдается при движении тела со сверхзвуковой скоростью (например, при движении головных частей межконтинентальных баллистических ракет) EdwART.… … Морской словарь
аэродинамический нагрев - Нагревание обтекаемой газом поверхности тела, движущегося в газообразной среде с большой скоростью при наличии конвективного, а при гиперзвуковых скоростях и радиационного теплообмена с газовой средой в пограничном или ударном слое. [ГОСТ 26883… … Справочник технического переводчика
Повышение температуры тела, движущегося с большой скоростью в воздухе или др. газе. Аэродинамический нагрев результат торможения молекул газа вблизи поверхности тела. Так, при входе космического аппарата в атмосферу Земли со скоростью 7,9 км/с… … Энциклопедический словарь
аэродинамический нагрев - aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: angl. aerodynamical heating vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. аэродинамический нагрев, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas - повышение темп ры тела, движущегося с большой скоростью в воздухе или др. газе. А. и. результат торможения молекул газа вблизи поверхности тела. Так, при входе космич. аппарата в атмосферу Земли со скоростью 7,9 км/с темп pa воздуха у поверхности … Естествознание. Энциклопедический словарь
Аэродинамический нагрев конструкции ракеты - Нагрев поверхности ракеты во время ее движения в плотных слоях атмосферы с большой скоростью. А.н. – результат того, что налетающие на ракету молекулы воздуха тормозятся вблизи ее корпуса. При этом происходит переход кинетической энергии… … Энциклопедия РВСН
Concorde Concorde в аэропор … Википедия
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.