από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα...

16
Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 1 of 32 Θερμότητα Περιεχόμενα 1) Θερμόμετρα-κλίμακες 2) Μηχανισμοί διάδοσης θερμότητας 3) Φαινόμενα που συνοδεύουν μεταβολές της θερμοκρασίας (π.χ. αλλαγές φάσης) 4) Θερμοχωρητικότητα 5) Εφαρμογές Η κατάσταση ισορροπίας μηχανικών συστημάτων περιγράφεται από τα μεγέθη: L, t, m. Για την περιγραφή του συνόλου των φαινομένων που περιλαμβάνουν και θερμικά φαινόμενα απαιτείται μία 4 η παράμετρος, η θερμοκρασία. Η θερμοκρασία είναι μέτρο της εσωτερικής ενέργειας των σωμάτων μακροσκοπική ιδιότητα & μετρίσιμη στο εργαστήριο Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 2 of 32 V k E E Όπου Ε k η μέση κινητική ενέργεια λόγω άτακτης κίνησης, π.χ. δονήσεις, περιστροφές ατόμων & μορίων Ε V η ενέργεια λόγω απωστικών & ελκτικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται λόγω μεταφοράς φορτίου & σχηματισμού δεσμών, π.χ. NaCl κινητική ενέργεια μετατόπισης κινητική ενέργεια λόγω δονήσεων & περιστροφής δυναμική ενέργεια λόγω ενδομοριακών δυνάμεων. Τα μονοατομικά αέρια έχουν μόνον κινητική ενέργεια μετατόπισης. Τα μοριακά αέρια έχουν επίσης κινητική ενέργεια περιστροφής & δόνησης Tα στερεά έχουν επί πλέον δυναμική ενέργεια λόγω των ενδοατομικών δυνάμεων.

Transcript of από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα...

Page 1: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 1 of 32

Θερμότητα

Περιεχόμενα

1) Θερμόμετρα-κλίμακες

2) Μηχανισμοί διάδοσης θερμότητας

3) Φαινόμενα που συνοδεύουν μεταβολές της θερμοκρασίας (π.χ.

αλλαγές φάσης)

4) Θερμοχωρητικότητα

5) Εφαρμογές

Η κατάσταση ισορροπίας μηχανικών συστημάτων περιγράφεται

από τα μεγέθη: L, t, m.

Για την περιγραφή του συνόλου των φαινομένων που

περιλαμβάνουν και θερμικά φαινόμενα απαιτείται μία 4η

παράμετρος, η θερμοκρασία.

Η θερμοκρασία είναι

μέτρο της εσωτερικής ενέργειας των σωμάτων

μακροσκοπική ιδιότητα & μετρίσιμη στο εργαστήριο

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 2 of 32

Vk EE

Όπου Εk η μέση κινητική ενέργεια λόγω άτακτης κίνησης, π.χ.

δονήσεις, περιστροφές ατόμων & μορίων

ΕV η ενέργεια λόγω απωστικών & ελκτικών ηλεκτροστατικών

δυνάμεων που αναπτύσσονται λόγω μεταφοράς φορτίου &

σχηματισμού δεσμών, π.χ. NaCl

κινητική ενέργεια

μετατόπισης

κινητική ενέργεια λόγω

δονήσεων & περιστροφής

δυναμική ενέργεια λόγω

ενδομοριακών δυνάμεων.

Τα μονοατομικά αέρια έχουν μόνον κινητική ενέργεια

μετατόπισης.

Τα μοριακά αέρια έχουν

επίσης κινητική ενέργεια

περιστροφής & δόνησης

Tα στερεά έχουν επί πλέον δυναμική ενέργεια λόγω των

ενδοατομικών δυνάμεων.

Page 2: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 3 of 32

Βασικές έννοιες

1) Η θερμοκρασία (T) περιγράφει ποσοτικά τις έννοιες του

θερμού & του ψυχρού.

2) Η Τ μετράται με θερμόμετρα που είναι διαφορετικά για

διαφορετικές περιοχές θερμοκρασιών.

3) Μεταξύ 2 σωμάτων που βρίσκονται σε θερμική επαφή ροή

θερμότητας συμβαίνει από το θερμό ψυχρό σώμα

4) Θερμική ισορροπία : 2 σώματα βρίσκονται σε θερμική

ισορροπία όταν έχουν την ίδια Τ .

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 4 of 32

Κατασκευή θερμομέτρου

1. Διαλέγουμε μία ιδιότητα που μεταβάλλεται (κατά προτίμηση) γραμμικά με την Τ, π.χ. διαστολή γραμμικών διαστάσεων (L=aT+b), μεταβολή πίεσης, μεταβολή ηλεκτρικής αντίστασης κλπ.

Το θερμίστορ έχει μη-γραμμική

απόκριση.

2. Ορίζουμε «κλίμακα μέτρησης», δηλ. 2 θερμοκρασίες αναφοράς

και το μοναδιαίο διάστημα, δηλ. τον βαθμό.

3. Φέρνουμε το θερμόμετρο σε θερμική επαφή με το υπό μέτρηση

σώμα και περιμένουμε να αποκατασταθεί θερμική ισορροπία.

Page 3: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 5 of 32

Κλίμακες θερμοκρασίας

Κλίμακα Celsius (1742)

Κλίμακα Fahrenheit (1724)

Κλίμακα Kelvin (1824-1907)

Σχέσεις μετατροπής μεταξύ κλιμάκων

Celsius-Fahrenheit Kelvin-Celsius

32T5

9T CF ή 32T2T CF

32T9

5T FC ή 32T5.0T FC

ΤΚ=ΤC+273,15

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 6 of 32

Κλίμακα Kelvin

Θερμόμετρο σταθερού όγκου που συνήθως περιέχει He.

Αέριο υπό χαμηλή πίεση συμπεριφέρεται σαν ιδανικό

αέριο TVP

Σταθερός όγκος 00 T

T

P

P

oP

PT 16273. όπου Το και Po

αναφορά στους 273.15

Μετρούμε την πίεση στους 0 & 100oC

Κατασκευάζουμε το διάγραμμα P-T

Στην Kelvin χρειαζόμαστε 1 θερμοκρασία αναφοράς : το

τριπλό σημείο του νερού 273.16Κ oP

PT 16273.

Μεταβολή της P συναρτήσει

της Τ για θερμόμετρο σταθερού

όγκου.

Στη θερμοκρασία απολύτου μηδενός -273.15ο η P=0 τα υγρά

υγροποιούνται και στερεοποιούνται παύει να ισχύει η σχέση

P-T

Page 4: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 7 of 32

Είδη θερμομέτρων

Υδραργυρικό

Θερμόμετρα αντίστασης (Sir Siemens 1871)

Αρχή λειτουργίας: μεταβολή της

αντίστασης πηνίου, ή ενός κρυστάλλου

Ge ή μίας ράβδου άνθρακα συναρτήσει

της θερμοκρασίας

Χαρακτηριστικά

Μέγιστη ακρίβεια

Ευρεία περιοχή λειτουργίας : π.χ. θερμόμετρο πλατίνας -270οC έως

+700 oC

Θερμοζεύγος Seebeck 1826

Αρχή λειτουργίας : ανάπτυξη ΔV

στην επαφή 2 μεταλλικών συρμάτων

τα άκρα των οποίων βρίσκονται σε

διαφορετική θερμοκρασία

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 8 of 32

Χαρακτηριστικά

Ευρεία περιοχή θερμοκρασιών (-270οC έως 2300oC)

Μη-γραμμική απόκριση

Υψηλή ακρίβεια

Τα θερμοζεύγη αποτελούνται από 2 διαφορετικά μέταλλα, τα οποία

επιλέγονται ανάλογα με την περιοχή θερμοκρασιών λειτουργίας του

θερμοζεύγους (-270οC έως 2300oC). Συνήθη μέταλλα είναι ο Cu και το

κράμα Co/Ni (constantan). Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις 2 επαφές

εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ τους. Η κεφαλή του

θερμοζεύγους έχει πολύ μικρή μάζα η αποκατάσταση θερμικής

ισορροπίας με το υπό μέτρηση σώμα είναι ταχεία.

Page 5: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 9 of 32

Οπτικά πυρόμετρα (Νόμος Stefan –Boltzman 1884)

Αρχή λειτουργίας: μεταβολή του φάσματος εκπομπής θερμού

σώματος

Νόμος Stefan-Boltzmann

P=εσ(Τ4-To4) (Wcm-2)

Νόμος Wien

λmT=0.29cmoC-1.

Χαρακτηριστικά

Δεν απαιτείται φυσική επαφή μέτρηση από

απόσταση

Κατάλληλα για υψηλές θερμοκρασίες και

διαβρωτικό περιβάλλον

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 10 of 32

Επιθυμητά χαρακτηριστικά θερμομέτρων

Επαναληψιμότητα

Ευαισθησία : μεγάλη μεταβολή της μετρούμενης ποσότητας

(σήμα εξόδου) για μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας.

Παράδειγμα : το σήμα εξόδου στο θερμοζεύγος είναι η

διαφορά δυναμικού ενώ στο υδραργυρικό θερμόμετρο είναι η

μεταβολή του ύψους της στήλης του Hg.

Υψηλή ταχύτητα απόκρισης: χρόνος για να φθάσει στο 63%

της τελικής ανάγνωσης.

Page 6: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 11 of 32

Φαινόμενα που συνοδεύουν αλλαγές θερμοκρασίας

Αλλαγή γεωμετρικών διαστάσεων (συστολή/διαστολή)

Αλλαγές φάσης

Συστολή /διαστολή

Συντελεστής γραμμικής διαστολής :

dT

dL

L

1 (μονάδες οC-1) 1L)T(L o

Συντελεστής διαστολής όγκου PdT

dV

V

1

(μονάδες οC-1)

Σώμα ομογενές &

ισότροπο : 3 (Η20-

εξαίρεση)

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 12 of 32

Υλικό α β

Al 2.4x10-5 7.2x10-5

Cu 1.7x10-5 5.1x10-5

Hg - 18x10-5

Αιθανόλη 75x10-5

Μεταβολή των διαστάσεων

υλικών τεχνολογίας συναρτήσει

της θερμοκρασίας.

Υποδοχείς διαστολής (expansion

joints) χρησιμοποιούνται σε γέφυρες,

σιδηροτροχιές κλπ για να

απορροφήσουν μεταβολές μήκους

των επί μέρους κομματιών λόγω

αλλαγών της θερμοκρασίας.

Page 7: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 13 of 32

Διμεταλλικός διακόπτης: Αποτελείται από 2 ισομήκεις μεταλλικές ράβδους που αποτελούνται από διαφορετικό υλικό και είναι συγκολλημένες μεταξύ τους. Τα 2 διαφορετικά μέταλλα έχουν διαφορετικό συντελεστή γραμμικής διαστολής α έχουν διαφορετικό ΔL όταν αλλάζει η Τ λυγισμός. Xρησιμοποιείται ευρύτατα σαν διακόπτης ηλεκτρικών συσκευών.

Αλλαγές φάσης Οι αλλαγές φάσης δεν συνοδεύονται από

αλλαγή χημικού τύπου & είναι ισόθερμες.

Παράδειγμα αλλαγής φάσης: Οι αλλαγές φάσης του H2O συνοδεύονται

αρχικά από σπάσιμο των 6-γώνων δακτυλίων που συνιστούν τον πάγο και

περαιτέρω σπάσιμο των αλυσίδων που συνιστούν την δομή του νερού. Ο

χημικός τύπος του Η2Ο δεν αλλάζει και οι αλλαγές φάσης είναι ισόθερμες.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 14 of 32

Σημαντικές αλλαγές φάσης (ισόθερμες).

Τήξη πήξη : στερεά υγρή φάση, π.χ. Η2O : 79.7 cal/gr

Εξαέρωση υγροποίηση υγρό αέριο

Βρασμός (φαινόμενο όγκου) :

1gr H2O (100oC)+540 cal 1 gr ατμού στους 100oC

Εξάτμιση (διεπιφάνεια) μείωση εσωτερικής ενέργειας υγρού

π.χ. εξάτμιση ιδρώτα, αλκοόλης

Εξάχνωση στερεό αέριο (1 atm)

π.χ. ναφθαλίνη, ξηρός πάγος CΟ2 στους -79oC

στους 27οC μετατρέπεται σε αέριο CO2

Λανθάνουσα θερμότητα (L) αλλαγής φάσης (latent heat) υπό

σταθερή πίεση είναι το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για

να αλλάξει φάση 1gr ουσίας όταν βρίσκεται στη θερμοκρασία

αλλαγής φάσης. LmQ

Page 8: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 15 of 32

Μεταβολή της θερμοκρασίας του Η2Ο συναρτήσει της

προστιθέμενης ποσότητας θερμότητας. Η διαφορετική κλίση κατά

τη θέρμανση του πάγου, του νερού και του ατμού οφείλεται στην

διαφορετική ειδική θερμότητα κάθε φάσης. Τα οριζόντια τμήματα

αντιστοιχούν στην λανθάνουσα θερμότητα αλλαγής φάσης.

Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές

σφαίρες καλύπτονται με υλικό που

αλλάζει φάση και καθώς τήκεται ή

παγώνει απορροφά ή απελευθερώνει

θερμότητα, αντίστοιχα. Τα υφάσματα

αυτά αλληλεπιδρούν με το σώμα και

βοηθούν στη διατήρηση σταθερής

θερμοκρασίας του σώματος.

θέρμανση ατμού Βρασμός νερού

Θέρμανση νερού

Θέρμανση πάγου

Τήξη πάγου

θερμότητα

Θερμοκρασία

(o C

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 16 of 32

Ποσοτική περιγραφή θερμικών φαινομένων

Ειδική θερμότητα c: το ποσό της θερμότητας που απαιτείται για

να αυξηθεί η θερμοκρασία 1gr μιας ουσίας κατά 1Κ ή 1οC, υπό

σταθερή πίεση. (J gr-1 oC-1).

Μεγαλύτερη ειδική θερμότητα μεγαλύτερη αδράνεια στις

μεταβολές της θερμοκρασίας.

Υπόθεση εργασίας : η c είναι σταθερή σε μικρά ΔΤ.

Θερμοχωρητικότητα C =mc (J oC-1)

ΔQ= mcΔΤ= C ΔΤ

i

iiύ cmC

Μονάδες μέτρησης ποσοτήτων θερμότητας

Θερμίδα (calorie) : 1 cal= ποσόν θερμότητας που απαιτείται

για να ανέβει η θερμοκρασία 1gr H2O από 14.5 15.5οC.

1 cal=4.186 J

BTU Βρετανική θερμική μονάδα (κλίμακα Fahrenheit).

1 BTU= θερμότητα που απαιτείται για να ανέβει η θερμοκρασία

1 pound (454gr) H2O από 63F 64F 1 BTU=1055 J

Page 9: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 17 of 32

Ενδεικτικές τιμές ειδικής θερμότητας: Η c μεταβάλλεται με τη

θερμοκρασία και γι’ αυτό στον πίνακα παρατίθεται και η περιοχή

θερμοκρασιών στην οποία ισχύει η τιμή που παρατίθεται.

Στοιχείο/ένωση c (cal gr-1 oC-1) ΔΤ (oC)

Al 0,22 20-100

Cu 0,092 20-100

γυαλί 0,20 20-100

H2O 1,00 0-100

πάγος 0,50 -10 έως 0

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 18 of 32

Μηχανισμοί διάδοσης θερμότητας

Οι 3 μηχανισμοί διάδοσης

θερμότητας

1. Με αγωγή

2. Με μεταφορά ύλης

3. Με ακτινοβολία

Μεταφορά θερμότητας με μεταφορά ύλης (convection)

Οδηγός δύναμη: μεταβολές στην πυκνότητα

Τα αέρια και τα ρευστά διαστέλλονται όταν Τ

Η πυκνότητα τους

Υφίστανται συνεχή μετατόπιση από υπερκείμενα στρώματα

μεγαλύτερης πυκνότητας

Ελεύθερη (π.χ. βρασμός Η2Ο, καπνός τσιγάρου) ή

Εξαναγκασμένη (π.χ. καρδιά, χρήση αντλίας)

Παραδείγματα

Η μάζα του νερού θερμαίνεται λόγω μεταφοράς μάζας που οδηγείται από μεταβολές της πυκνότητας.

Ανοδικά ρεύματα αέρα δημιουργούνται λόγω θέρμανσης του εδάφους.

Page 10: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 19 of 32

Η επιδαπέδια θέρμανση & η ψύξη του εσωτερικού ψυγείου

στηρίζονται σε μεταφορά θερμότητας λόγω μεταφοράς μάζας.

Η αιθαλομίχλη παγιδεύεται και

αιωρείται στην ατμόσφαιρα λόγω

απουσίας ανοδικών ρευμάτων αέρα.

Κατά την έκρηξη ηφαιστείων

ο καπνός ανυψώνεται κατά km

λόγω μεταφοράς θερμών

αερίων μαζών.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 20 of 32

Διάδοση θερμότητας με αγωγή

Μεταφορά θερμότητας Q χωρίς μεταφορά μάζας.

To Q t

Το Q ΔΤ

Το Q A (εμβαδόν επιφάνειας)

Το Q L

1

To Q συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας k

(W m-1K-1)

L

tTkAQ

Πίνακας τιμών συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας για

επιλεγμένα υλικά ευρείας χρήσης.

Υλικό k (W/mK) Υλικό k (W/mK) Διαμάντι 1000 Hg 8.3

Au 314 Γυαλί 1.6 Al 205 Τούβλο με μόνωση 0.15

Ατσάλι 50.2 Τούβλο 0.6 Ξύλο 0.12-0.04 H2O (20oC) 0.6 Μπετόν 0.8 Αέρας (0oC) 0.024

Page 11: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 21 of 32

Εφαρμογές Για την ελαχιστοποίηση απωλειών ενέργειας στα κτίρια

χρησιμοποιούνται υλικά πορώδη με μεγάλο ποσοστό κενών που

περιέχουν αέρα.

Το πολυστυρένιο (styrofoam) έχει

εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες

επειδή οι φυσαλίδες αέρα που

περιέχει εμποδίζουν την μεταφορά

θερμότητας με μεταφορά ύλης.

Ο συντελεστής θερμικής

αγωγιμότητας της μόνωσης και του

ξύλου είναι 0,030 & 0,080 J/(s m οC), αντίστοιχα. Η απώλεια

θερμότητας χωρίς την μόνωση είναι

12 φορές μεγαλύτερη.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 22 of 32

Διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία

Νόμος Stefan (1835-93) : P =ε σ Τ4 (Wcm-2)

Νόμος Stefan-Boltzmann P=ε σ (Τ4-To4)

0<ε<1, ικανότητα εκπομπής (φύση επιφάνειας)

σ=5,7 x 10-8 Wm-2 K-4

Νόμος Wien λmT=0.29cmoC-1.

Μετατόπιση του

φάσματος εκπομπής

όταν μεταβάλλεται η

θερμοκρασία του

σώματος.

Ο Ηλιος που βρίσκεται στους 6000Κ εκπέμπει μέρος του

φάσματος του στο ορατό. Αντίθετα τα σώματα που βρίσκονται

σε θερμοκρασία περιβάλλοντος εκπέμπουν στο υπέρυθρο.

Page 12: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 23 of 32

Καλός εκπομπός καλός απορροφητής

Καλός ανακλαστήρας κακός εκπομπός

Μέλαν σώμα (ε=1) : απορροφά & δεν ανακλά.

Οι έντονα ανακλαστικές

εξωτερικές επιφάνειες του

δορυφόρου ελαχιστοποιούν τις

απώλειες θερμότητας.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 24 of 32

Ανθρώπινο σώμα

Εξαναγκασμένη μεταφορά θερμότητας (η καρδιά λειτουργεί σαν

αντλία)

Οι μηχανισμοί απώλειας

θερμότητας από το

ανθρώπινο σώμα

μεταβάλλονται όταν

αλλάζει η θερμοκρασία

περιβάλλοντος.

Στεγνό σώμα Μεταφορά ύλης 30% & Ακτινοβολία 50%

Ιδρωμένο σώμα Εξάτμιση (αλλαγή φάσης)

ΔΤ=+1οC Mεταβολισμός +7%

Έντονη άσκηση Mεταβολισμός +10%

Νόμος Newton για την ψύξη tt

Q

Nόμος θέρμανσης Joule : W=V I t=I2 R t

Page 13: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 25 of 32

Μηχανισμοί διάδοσης θερμότητας-Εφαρμογές 1. Θερμός

Λειτουργούν 2 μηχανισμοί μείωσης της

μεταφοράς θερμότητας

Ανακλαστική εσωτερική επιφάνεια

μικρή εκπομπή

μείωση απωλειών λόγω ακτινοβολίας

Διπλά τοιχώματα υπό κενό

Μείωση μεταφοράς με ύλη

Μείωση μεταφοράς με αγωγή.

2. Μεταβολές της θερμοκρασίας μεγάλων λιμνών.

Οταν η επιφάνεια έχει Θ<4οC

τα επιφανειακά στρώματα διαστέλλονται

επιπλέουν

σταματούν οι μηχανισμοί μεταφοράς-μείξης

η απώλεια θερμότητας γίνεται μόνο με αγωγή που είναι βραδύς μηχανισμός

Όταν η επιφάνεια του Η2Ο : Θ=4οC τα επιφανειακά στρώματα βυθίζονται μείξη & αποκατάσταση θερμικής ισορροπίας σε όλο το Η2Ο.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 26 of 32

Εφαρμογές ακτινοβολίας μέλανος σώματος

Μέλαν σώμα: απορροφά 100% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας &

ανακλά 0%.

Πυρομετρία

Nόμος Wien λmT=0,29cm/oC.

Εφαρμογές : για Τ>1000Κ

Αστροφυσική

Θερμογραφία (1960): Stefan-Βoltzmann P(Wm-2)=σ ε (Τ4-Το

4)

Ανιχνευτές υπερύθρου : φωτογραφική ή τηλεοπτική εικόνα.

διαφορά θερμοκρασίας από το περιβάλλον 1Κ

ευαισθησία 0,1οC.

Εφαρμογές :

Στρατός

Ιατρική (εντοπισμός όγκων ή φλεγμονών)

Περιβάλλον

Εντοπισμός εστίας σε μεγάλες πυρκαγιές

Απεικόνιση θερμών ρευμάτων στη ροή ποταμού όπου

εκβάλλουν κανάλια ψύξης πυρηνικών εργοστασίων.

Page 14: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 27 of 32

Νυχτερινή φωτογραφία δρόμου. Τα θερμά σημεία στη στέγη του σπιτιού οφείλονται σε παράθυρα οροφής. Το καπώ του αυτοκινήτου και τα λάστιχα είναι ζεστά λόγω της λειτουργίας της μηχανής και της τριβής, αντίστοιχα.

Προσγείωση του space shuttle. Τα πιο θερμά σημεία (άσπρα και κόκκινα) βρίσκονται στην μύτη και τον θάλαμο διακυβέρνησης. Η κόκκινη περιοχή κοντά στην ουρά θερμαίνεται λόγω λειτουργίας των κινητήρων επιβράδυνσης.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 28 of 32

Νυχτερινή φωτογραφία 2 μηχανοκίνητα εν κινήσει (το 2ο όχημα είναι τροφοδοσίας)

Page 15: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 29 of 32

Μεταβολή της

θερμοκρασίας στο κρανίο ασθενούς λόγω ημικρανίας

Κατανομή της θερμοκρασίας στην πλάτη ατόμου με φλεγμονή στην σπονδυλική στήλη. Η απεικόνιση δεξιά είναι υψηλής διακριτικής ικανότητας.

α

β

γ

Κατανομή της θερμοκρασίας στην πλάτη αλόγου: α) φυσιολογική, β) φλεγμονή στο οστό της ουράς, γ) φλεγμονή στο λαγόνιο οστό

Νυχτερινή φωτογραφία οικισμού. Τα θερμά σημεία αντιστοιχούν

στους δρόμους και τα απόβλητα βιομηχανίας.

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 30 of 32

Φαινόμενο θερμοκηπίου

Τηλίου =6000Κ

λ ηλίου 5000Å (0.5μm ορατό)

Τγής 300Κ

λγής=100μm (υπέρυθρο)

Τοιχώματα θερμοκηπίου :

διαπερατά στο ορατό (5000 Å) & αδιαφανή στο υπέρυθρο

η ακτινοβολία παγιδεύεται στο εσωτερικό του θερμοκηπίου

άνοδος θερμοκρασίας.

CΟ2: «οροφή του θερμοκηπίου ΓΗ»

Διπλασιασμός του CO2 => ΔT=+2oC => τήξη παγετώνων.

Παραγωγή CO2: παραγωγή ενέργειας (π.χ. καύση

πετρελαιοειδών).

Page 16: από 5) 4) 3) 2) 1) τα τηνusers.auth.gr/paloura/thermo_all_2010.pdf · θερμότητα αλλαγής φάσης. Έξυπνα υφάσματα: οι μικρές σφαίρες

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 31 of 32

Το CO2 λειτουργεί ως η «οροφή» του θερμοκηπίου «ΓΗ». Μεταβολή

της συγκέντρωσης του CO2 σε ppm από το 1958 έως το 2000.

Οζον: απορροφά επιλεκτικά την υπεριώδη (λ3000 Å) του ήλιου.

Η τρύπα του Ο3 (φωτογραφία

NASA). Η διάσπαση του Ο3

επάγεται καταλυτικά από το ΝΟ

(υπερηχητικά αεροσκάφη)

Ο ΗΛΙΟΣ

Θερμοκρασία Ηλίου

Κέντρο: 15,000,000Κ

Επιφάνεια: 5870Κ

Ε. Κ. Παλούρα : Θερμότητα Page 32 of 32

Παραγωγή ενέργειας: Η+Η+Η+Η He+2e + 6.4x1018erg/s

Κατανάλωση “καυσίμων” : 600,000,000 tons/s

Αναμενόμενη διάρκεια ζωής > 10,000,000,000 χρόνια

Διάδοση θερμότητας Ακτινοβολία (r0.7ro)

Μεταφορά ύλης (r>0.7ro)