Летом воздух в здании нагревается получая энергию различными способами через: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?

Содержание

Излучение — Технарь

Познакомимся на опыте с еще одним видом теплопередачи.

Возьмем прибор теплоприемник, представляющий собой плоскую круглую коробку, одна сторона которой отполирована как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробки находится воздух, который может выходить через отверстие в теплоприемник. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром (рис. 192) и поднесем к теплоприемнику сбоку электрическую плитку или нагретый до высокой температуры кусок металла. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Очевидно, воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как передавалась энергия в этом случае? Ясно, что не теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью. Не было здесь и конвекции, ведь теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Следовательно, энергия передавалась от нагретого тела теплоприемнику новым видом теплопередачи. Этот вид теплопередачи называют излучением, которое исходит от всех нагретых тел.

Описанный опыт можно провести и с самодельным прибором, который представляет собой колбу, закопченную с одной стороны. Через пробку в колбу вставлена изогнутая под прямым углом стеклянная трубка с узким каналом, в котором находится немного подкрашенной жидкости (рис. 193).

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что она может осуществляться в полном вакууме. Излучением передается на Землю и солнечная энергия.

Излучают энергию все тела, и сильно и слабо нагретые: тело человека, печь, электрическая лампа. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения.

Энергия излучения, падающего на тела, частично поглощается этими телами, превращаясь в их внутреннюю энергию, вследствие чего они нагреваются. При этом тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если в опыте с теплоприемником повернуть его к нагретому телу сначала черной, а потом блестящей стороной, то столбик жидкости в трубке манометра будет перемещаться в первом случае на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию и сильнее нагреваются. В то же время тела с темной поверхностью быстрее охлаждаются путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется человеком. Например, воздушные шары и крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же нужно, наоборот, использовать солнечную энергию, например, для нагревания частей некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный цвет.

Вопросы.

  1. Как устроен теплоприемник? 2. Как на опыте показать передачу энергии излучением? 3. Какие тела лучше, и какие хуже поглощают энергию излучения? 4. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнения.

  1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит теплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередач мы имеем дело в каждом случае?
  2. Находясь около костра или открытой печи, мы чувствуем, как нагревается наше тело. Каким способом, передается к нам энергия от костра? Ответ обоснуйте.
  3. Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой.
  4. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью?

«Чистой» энергии не существует / Хабр

Опубликованный в научном журнале Energies новый анализ, проведённый командой ирландских и американских исследователей, в том числе исследователей CERES, поднимает неожиданные и тревожные вопросы о реализуемости перехода на возобновляемые источники энергии, а также об их влиянии на окружающую среду. Опасения изменения климата привели к огромным инвестициям в программы новой «зелёной энергии», направленные на снижение выбросов парниковых газов и другого влияния на окружающую среду со стороны отрасли ископаемых видов топлива. На протяжении 2011-2018 годов мир потратил 3,66 триллиона долларов на проекты, связанные с изменением климата. 55% от этой суммы было потрачено на энергию солнца и ветра, и всего 5% — на адаптацию к воздействию экстремальных погодных явлений.


Мировые траты, связанные с решением проблемы изменения климата, 2011‒2018 гг. Солнечная и ветровая энергетика: 55%. адаптация к климатическим явлениям: 5%.

Неожиданное влияние на окружающую среду

Исследователи выяснили, что иногда возобновляемые источники энергии вносят свой вклад в проблемы, которые они предназначены решать. Например, в серии международных исследований выяснилось, что и ветряные, и солнечные электростанции сами вызывают локальное изменение климата. Ветропарки повышают температуру почвы под ними, и такое потепление заставляет почвенных микробов выделять больше углекислого газа (двуокиси углерода). То есть, ирония состоит в том, что хотя энергия ветра и снижает частично «углеродные выбросы» человечества, она также увеличивает «углеродные выбросы» от природных источников.


Фотографии демонстрируют два различных вида «влияния попутного потока» в ветропарках рядом с побережьями Дании. (a) Фотография Кристиана Стейнесса демонстрирует влияние холодного влажного воздуха, проходящего над более тёплой поверхностью моря (2013 год). (b) Фотография Bel Air Aviation Denmark — Helicopter Services демонстрирует влияние тёплого влажного воздуха, проходящего по более холодной поверхности моря (2017 год).

Технологии зелёной энергетики требуют десятикратного повышения добычи минеральных ресурсов по сравнению с электричеством, вырабатываемым при сжигании ископаемых видов топлива. Аналогично, для замены всего 50 миллионов из приблизительно 1,3 миллиардов легковых автомобилей мира электрическим транспортом потребуется более чем удвоить ежегодную мировую добычу кобальта, неодима и лития, а также задействовать более половины ежегодно получаемого объёма меди.

Кроме того, солнечные и ветряные парки требуют в 100 раз больше поверхности земли по сравнению с электричеством, получаемым из ископаемых видов топлива, а возникающие изменения в структуре использования площадей могут иметь разрушительное влияние на биоразнообразие. Воздействие биоэнергетики на биологическое разнообразие ещё пагубнее, а увеличение использования посевов, например, пальмового масла для производства биотоплива, уже внесло свой вклад в уничтожение дождевых лесов и других естественных сред.

Запутанные финансовые последствия

Более половины (55%) общемировых затрат на климат за 2011‒2018 годы было потрачено на солнечную и ветровую энергетику — в сумме 2,0 триллиона долларов. Несмотря на это, в 2018 году ветровая и солнечная энергетика производила всего 3% от мирового энергопотребления, в то время как ископаемые энергоносители (нефть, уголь и газ) производили в общем 85%. Некоторые исследователи считают, что это ставит насущные вопросы о стоимости перехода на 100% возобновляемой энергетики.

Ведущий автор анализа Коилин Охаисеадха говорит:

«Мир потратил 2 триллиона долларов, чтобы увеличить долю генерируемой солнцем и ветром энергии с половины процента до трёх процентов, и на это потребовалось восемь лет. Какой будет стоимость повышения её доли до 100%? И сколько времени это займёт?»


Мировое энергопотребление по доле источников энергии, 2018 год. Данные BP (2019 год).

Пугающие инженерные сложности

Инженеры всегда знали, что крупные солнечные и ветровые парки преследует так называемая «проблема периодичности». В отличие от традиционных источников генерации электричества, обеспечивающих по запросу непрерывную и надёжную подачу энергии в режиме 24/7, ветровые и солнечные парки вырабатывают электричество только при наличии ветра или солнечного света.

Соавтор нового анализа доктор Ронан Коннолли подчёркивает:

«Потребители в среднестатистическом домохозяйстве ожидают, что их холодильники и морозилки будут работать постоянно, а свет можно включать в любой момент времени по желанию. Те, кто продвигает ветровую и солнечную энергетику, должны признать, что они не способны обеспечить подобной непрерывной подачи энергии по запросу в масштабах страны, к которой привыкло современное общество».

Проблему не решить простым использованием крупномасштабных аккумуляторных накопителей энергии, потому что для этого потребуются огромные батареи, занимающие многие гектары земли. Tesla изготовила большую батарею для стабилизации сети электропередачи в Южной Австралии. Она имеет мощность 100 МВт и производит 129 МВт*ч, занимая при этом гектар. В одной из статей, проанализированных в этом новом исследовании, говорится, что если канадский штат Альберта перейдёт с угля на возобновляемую энергетику, используя в качестве резервных источников природный газ и аккумуляторные накопители, то для соответствия пиковым нагрузкам потребуется 100 таких крупных батарей.

Некоторые исследователи предполагают, что колебания в производстве энергии можно сбалансировать созданием континентальных сетей электропередачи, например, сети, соединяющей ветропарки в северо-западной Европе с солнечными электростанциями на юго-востоке, однако для этого потребуются масштабные инвестиции.

С большой вероятностью это приведёт к созданию «узких мест», в которых мощности соединений будет недостаточно; кроме того, это не устранит фундаментальной уязвимости — штилей и пасмурной погоды, которые могут длиться несколько дней.

Ущерб самым бедным

Серия исследований, проведённых учёными Европы, США и Китая, демонстрирует, что «углеродный налог» накладывает наибольшее бремя на самые бедные домохозяйства и жителей сельской местности.

Хотя основной мотивацией внедрения проектов зелёной энергии стали опасения климатических изменений, всего 5% затрат на климат было связано с адаптацией к климатическим явлениям. К этой сфере относится помощь развивающимся странам в улучшении реагирования на экстремальные климатические явления, например, ураганы. Потребность построения инфраструктуры адаптации к климатическим условиям и систем чрезвычайного реагирования может вступать в конфликт с потребностью снижения объёмов выбросов парниковых газов, потому что ископаемые виды топлива в общем случае являются наиболее доступным источником дешёвой энергии для развития.

Что касается проблемы коренных жителей, то в анализе подчёркивается тот факт, что все энергетические технологии могут оказывать существенное воздействие на локальные сообщества, особенно в случае отсутствия их должного консультирования. Добыча кобальта, необходимого для создания батарей электротранспорта, оказывает серьёзное воздействие на здоровье женщин и детей в районах добычи, где добыча часто осуществляется в законодательно неконтролируемых, мелких, «кустарных» шахтах. Добыча лития, также требуемого для производства батарей электромобилей, требует больших объёмов воды, может вызывать загрязнение и дефицит поставок чистой воды для местных жителей.

Ведущий автор анализа Коилин Охаисеадха указывает:

«Конфликт между племенем сиу Стэндинг-Рок и Dakota Access Pipeline широко освещался во всём мире, но как насчёт воздействия добычи кобальта на жителей Демократической Республики Конго и влияния добычи лития на людей в пустыне Атакама? Помните лозунг, произносившийся в Стэндинг-Рок? Mni Wiconi! „Вода — это жизнь!“ Это справедливо и для сиу Стэндинг-Рока, беспокоящихся о том, что утечка нефти может загрязнить реку, и для жителя пустыни Атакама, озабоченного тем, что добыча лития загрязнит грунтовые воды».

Краткое описание статьи

Анализ, опубликованный в специальном выпуске журнала Energies 16 сентября, состоит из 39 страниц с 14 цветными рисунками и двумя таблицами. В нём подробно рассматриваются траты, связанные с изменением климата, а также плюсы и минусы всех возможных вариантов решения проблемы: ветроэнергетика, солнечная энергетика, гидроэнергетика, ядерная энергетика, ископаемые энергоносители, биоэнергетика и геотермальная энергетика. Для составления анализа исследователи тщательно изучили сотни исследовательских статей, опубликованных на английском языке, в широком диапазоне областей, в том числе в машиностроении, защите окружающей среды, энергетике и климатической политике. Окончательный отчёт содержит ссылки на 255 исследовательских статей во всех этих областях и завершается таблицей с плюсами и минусами всех технологий получения энергии. Участники исследовательского коллектива находились в Республике Ирландия, Северной Ирландии и США.

Анализ был опубликован как статья в открытом доступе с рецензированием, её бесплатно можно скачать по следующему URL: https://www. mdpi.com/1996-1073/13/18/4839.

Полное название: ÓhAiseadha, C.; Quinn, G.; Connolly, R.; Connolly, M.; Soon, W. Energy and Climate Policy — An Evaluation of Global Climate Change Expenditure 2011–2018.

Energies 2020, 13, 4839.

Финансирование: С.О., Г.К. и М.К. не получали внешнего финансирования за работу над этой статьёй. Р.К. и В.С. во время проведения исследований для этой статьи получали финансовую поддержку от Center for Environmental Research and Earth Sciences (CERES). Задача CERES — распространение прогрессивного и независимого научного знания. По этой причине донорам CERES строго запрещается влиять как на направление исследований, так и на результаты работы CERES.



На правах рекламы

VDS с бесплатной защитой от DDoS

— это про нас! Все серверы «из коробки» защищены от DDoS-атак.

Излучение простое определение. Что такое излучение? Бор и орбита

Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.

Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.

Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).

Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.

Рис. 12. Передача энергии путем излучения

Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух — плохой проводник тепла.

Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.

Вопросы

  1. Как на опыте показать передачу энергии излучением?
  2. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
  3. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнение 5

  1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
  2. Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
  3. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?

Задание

С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.

Это любопытно…

Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).

Рис. 13. Устройство термоса

Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.

Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.

В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается — отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх — конвекции.

Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.

Ионизирующее излучение (далее — ИИ) — это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион — происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц — корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β—излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение — еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение — внеядерного происхождения, гамма излучение — продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от — от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей — рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода — катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины — то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение — то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Каждый человек ежедневно сталкивается с различными видами излучения. Для тех, кто мало знаком с физическими явлениями, плохо представляет, что означает данный процесс и откуда он происходит.

Излучение в физике – это формирование нового электромагнитного поля, образующегося при реакции частиц, заряженных электрическим током, другими словами, это определенный поток электромагнитных волн, которые распространяются вокруг.

Свойства процесса излучения

Данную теорию заложил еще Фарадей М. в XIX веке, а продолжил и развил Максвелл Д. Именно он смог придать всем исследованиям строгую математическую формулу.

Максвелл смог вывести и структурировать законы Фарадея, из них он определил, что все электромагнитные волны перемещаются с одинаковой скоростью света. Благодаря его труду некоторые явления и действия в природе стали объяснимы. Вследствие его выводов стало возможным появление электро, радио техники.

Заряженные частицы определяют характерные особенности излучения. Также на процесс оказывает сильное влияние взаимодействие заряженных частиц с магнитными полями, к которым она стремится.

К примеру, при ее взаимодействии с атомными веществами меняется скорость движения частицы, она сначала замедляется, а далее перестает двигаться дальше, в науке данное явление называется тормозное излучение.

Можно встретить разные виды данного явления, одни созданы самой природой, а другие с помощью вмешательства человека.

Однако, сам закон изменения типа излечения один для всех. Электромагнитное поле отделено от заряженного элемента, но при этом движется с одинаковой быстротой.

Характеристика поля напрямую зависит от того, с какой скоростью происходит само движение, а также какой размер имеет заряженная частица. Если при движении она не сталкивается ни с чем, то ее скорость не изменяется и, следовательно, она не создает излучения.

А вот, если при движении она сталкивается с разными частицами, то скорость видоизменяется, часть собственного поля отсоединяется, и превращается в свободное. Получается, что формирование магнитных волн происходит только при изменении скорости частицы.

Различные факторы могут повлиять на скорость, отсюда и формируются разные типы излучения, к примеру, это может быть тормозное. Также существуют дипольное, мультипольное излучения, они образуются, когда частица внутри себя меняет, имеющуюся структуру.

Важно, что поле всегда имеет импульс, энергию.

Так как при взаимодействии позитрона и электрона возможно образование свободных полей, при этом заряженные частицы сохраняют импульс, энергию, что передается электромагнитному полю.

Источники и виды излучения


Электромагнитные волны изначально существовали в природе, в процессе развития и создания новых законов физики появились новые источники излучения, которые называются искусственными, созданные человеком. К такому виду можно отнести рентгеновские лучи.

Для того, чтобы ощутить на себе данный процесс не нужно выходить из квартиры. Электромагнитные волны окружают человека повсюду, достаточно включить свет или зажечь свечу. Поднеся руку к источнику света можно ощутить тепло, которое излучают предметы. Такое явление называется .

Однако, существуют и другие его виды, к примеру, в летние месяцы, отправляясь на пляж, человек получает ультрафиолетовое излучение, которое исходит от солнечных лучей.

Каждый год на диспансеризации проходят такую процедуру как флюорография, для того, что бы выполнить медицинское исследование используется специальное рентгеновское оборудование, которое тоже дает излучение.

В медицине также используется , чаще всего применяют при физиотерапии больных. Также такой вид используется в детских лазерах. Также при лечении некоторых заболеваний применяется лучевая терапия. Такой тип называется гаммой, так как длина волн весьма коротка.

Такое явление возможно благодаря полному совпадению заряженных частиц, которые взаимодействуют с источником света.

Многие слышали о радиации, это тоже один из видов излучения.

Она образуется при распаде химических элементов, которые являются радиоактивными, то есть процесс происходит из-за того, что расщепляется ядра частиц на атомы, и они излучают радиоактивные волны. Радио, телевидение для своего вещания используют радиоволны, излучаемые ими волны, обладают большой длиной.

Возникновение излучения


Диполь электрический является самым простым элементом, производящий явление. Однако при процессе создается определенная система, которая состоит из двух частиц, колеблющееся по-разному типу.

Если частицы по прямой, при движении на встречу друг другу, то происходит отсоединение части электромагнитного поля, и образуются заряженные волны.

В физике такое явление называется неизотопное, так как возникающая энергия не обладает одинаковой силой. В данном случае не важна скорость и расположение элементов, так как действительные излучатели должны иметь большое количество элементов, которые обладают зарядом.

Исходное состояние, возможно изменить, если одноименные зарядные частицы начать стягивать к ядру, где происходит распределение зарядов. Такое соединение можно рассматривать как электрический диполь, так как получившаяся система будет полностью электронейтрального типа.

Если отсутствует диполь, то возможно создать процесс с помощью квадруполя. Так же в физике выделяют более сложную систему для получения излучения – это мультиполь.

Для образования таких частиц необходимо использовать контур с током, тогда при движении возможно возникновение квадрупольного излучения. Важно учитывать, что интенсивность магнитного намного меньше, чем электрического типа.

Реакция излучения


В процессе взаимодействия частица теряет часть своей собственной энергии, так как при движении на нее влияет определенная сила. Она в свою очередь влияет на скорость потока волн, при ее действии действующая сила движения замедляется. Такой процесс называется радиационное трение.

При данной реакции сила процесса будет весьма незначительной, однако скорость будет весьма высока и приближена, к скорости света. Данное явление можно рассмотреть на примере нашей планеты.

В магнитном поле содержится довольно много энергии, поэтому электроны, которые излучаются из космоса, не могут долететь до поверхности планеты. Однако существуют частицы космических волн, которые могут дойти до земли. У таких элементов должна быть высокая потеря собственной энергии.

Также выделяются размеры области пространства, это значение является важным при излучении. Данный фактор влияет на формирование электромагнитного поля излучения.

В этом состоянии движения частицы не большие, но быстрота отсоединения поля от элемента, равна свету, и получается, что процесс создания будет весьма активен. И как следствие получаются короткие электромагнитные волны.

В том случае, когда скорость движения частицы высока, и приблизительно равна свету, то время отсоединения поля увеличивается, данный процесс длится довольно долго и, следовательно, электромагнитные волны обладают высокой длиной. Так как их путь занимал больше обычного, и образование поля происходило довольно продолжительное время.

В квантовой физике также используется излучение, но при рассмотрении используются совершено другие элементы, это могут быть молекулы, атомы. В данном случае, явление излучения рассматривается и подчиняется законам квантовой механики.

Благодаря развитию науки, получилось возможным вносить поправки и изменять характеристики излучения.

Многие исследования показали, что излучения могут негативно влиять на человеческий организм. Все зависит от того, какой вид излучения, и как долго человек ему подвергался.

Ни для кого не секрет, что при химической реакции и распаде ядерных молекул, может наступить лучевое излучение, которое является опасным для живых организмов.

При их распаде может происходить моментальное и довольно сильное облучение. Окружающие предметы также могут производить излучение, это могут быть сотовые телефоны, микроволновые печи, ноутбуки.

Данные предметы посылают, как правило, короткие электромагнитные волны. Однако в организме может происходить накопление, что влияет на здоровье.

Излучение — это физический процесс, результатом которого является передача энергии с помощью электромагнитных волн. Обратный излучению процесс называется поглощением. Рассмотрим этот вопрос подробнее, а также приведем примеры излучения в быту и природе.

Физика возникновения излучения

Любое тело состоит из атомов, которые, в свою очередь, образованы ядрами, заряженными положительно, и электронами, которые образуют электронные оболочки вокруг ядер и заряжены отрицательно. Атомы устроены таким образом, что они могут находиться в разных энергетических состояниях, то есть обладать как большей, так и меньшей энергией. Когда атом имеет наименьшую энергию, то говорят о его основном состоянии, любое другое энергетическое состояние атома называется возбужденным.

Существование различных энергетических состояний атома связано с тем, что его электроны могут располагаться на тех или иных энергетических уровнях. Когда электрон переходит с более высокого уровня на более низкий, то атом теряет энергию, которую он излучает в окружающее пространство в виде фотона — частицы-носителя электромагнитных волн. Наоборот, переход электрона с более низкого на более высокий уровень сопровождается поглощением фотона.

Перевести электрон атома на более высокий энергетический уровень можно несколькими способами, которые предполагают передачу энергии. Это может быть как воздействие на рассматриваемый атом внешнего электромагнитного излучения, так и передача ему энергии механическим или электрическим способами. Кроме того, атомы могут получать, а затем выделять энергию в результате химических реакций.

Электромагнитный спектр

Прежде чем переходить к примерам излучения в физике, необходимо отметить, что каждый атом испускает определенные порции энергии. Это происходит потому, что состояния, в которых может находиться электрон в атоме, являются не произвольными, а строго определенными. Соответственно переход между этими состояниями сопровождается излучением определенного количества энергии.

Из атомной физики известно, что фотоны, порождаемые в результате электронных переходов в атоме, обладают энергией, которая прямо пропорциональна их частоте колебаний и обратно пропорциональна длине волны (фотон — это электромагнитная волна, которая характеризуется скоростью распространения, длиной и частотой). Поскольку атом вещества может испускать только определенный набор энергий, значит, длины волн испущенных фотонов тоже являются конкретными. Набор всех этих длин называется электромагнитным спектром.

Если длина волны фотона лежит между 390 нм и 750 нм, то говорят о видимом свете, поскольку его способен воспринимать человек своими глазами, если длина волны меньше 390 нм, то такие электромагнитные волны обладают большой энергией и называются ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением. Для длин больше 750 нм характерна небольшая энергия фотонов, они носят название инфракрасного, микро- или радиоизлучения.

Тепловое излучение тел

Всякое тело, которое имеет некоторую отличную от абсолютного нуля температуру, излучает энергию, в этом случае говорят о тепловом или температурном излучении. При этом температура определяет как электромагнитный спектр теплового излучения, так и количество испускаемой телом энергии. Чем больше температура, тем большую энергию излучает тело в окружающее пространство, и тем сильнее его электромагнитный спектр смещается в высокочастотную область. Процессы теплового излучения описываются законами Стефана-Больцмана, Планка и Вина.

Примеры излучения в быту

Как выше было сказано, энергию в виде электромагнитных волн излучает абсолютно любое тело, однако видеть невооруженным глазом этот процесс можно не всегда, поскольку температуры окружающих нас тел, как правило, слишком маленькие, поэтому их спектр лежит в низкочастотной невидимой для человека области.

Ярким примером излучения в видимом диапазоне является электрическая лампа накаливания. Проходя по спирали, электрический ток разогревает вольфрамовую нить до 3000 К. Такая высокая температура приводит к тому, что нить начинает испускать электромагнитные волны, максимум которых приходится на длинноволновую часть видимого спектра.

Еще один пример излучения в быту — микроволновая печь, которая испускает микроволны, невидимые для человеческого глаза. Эти волны поглощаются объектами, содержащими воду, тем самым увеличивая их кинетическую энергию и, как следствие, температуру.

Наконец, примером излучения в быту в инфракрасном диапазоне является радиатор батареи отопления. Его излучения мы не видим, но чувствуем это тепло.

Природные излучающие объекты

Пожалуй, самым ярким примером излучения в природе является наша звезда — Солнце. Температура на поверхности Солнца около поэтому его максимум излучения приходится на длину волны 475 нм, то есть лежит внутри видимого спектра.

Солнце разогревает находящиеся вокруг него планеты и их спутники, которые тоже начинают светиться. Здесь следует отличать отраженный свет и тепловое излучение. Так, нашу Землю можно видеть из космоса в виде голубого шара именно благодаря отраженному солнечному свету. Если же говорить о тепловом излучении планеты, то оно также имеет место, но лежит в области микроволнового спектра (около 10 мкм).

Помимо отраженного света, интересно привести еще один пример излучения в природе, который связан со сверчками. Испускаемый ими видимый свет никак не связан с тепловым излучением и является результатом химической реакции между кислородом воздуха и люциферином (вещество, содержащееся в клетках насекомых). Это явление носит название биолюминесценции.

Моноэнергетическое ионизирующее излучение — ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.

Смешанное ионизирующее излучение — ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов.

Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения.

Естественный фон излучения — ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.).

Фон — ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников.

Космическое излучение — ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой.

Узкий пучок излучения — такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника.

Широкий пучок излучения — такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника.

Поле ионизирующего излучения — пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) — отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F = dN/dt.

Поток энергии частиц — отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt.

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) — отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF

проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) — отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN , проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS.

Энергетический спектр ионизирующих частиц — распределение ионизирующих частиц по их энергии. Эффективная энергия фотонного излучения — энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного

излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Граничная энергия спектра β -излучения — наибольшая энергия β -частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.

Альбедо излучения — отношение числа частиц (фотонов), отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов), падающих на поверхность раздела.

Запаздывающее излучение : частицы, излучаемые продуктами распада, в отличии от частиц (нейтронов и гамма — лучей), возникающих непосредственно в момент деления.

Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.

Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны) излучения. Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация ) — вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций. При определенных обстоятельствах присутствие таких ионов или продуктов ядерных реакций в тканях организма может изменять течение процессов в клетках и молекулах, а при накоплении этих событий может нарушить ход биологических реакций в организме, т.е. представлять опасность для здоровья человек.

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.

2.1. Корпускулярное излучение

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при

столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.

Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Рис.1 . Схема распада 212 Bi.

2.1.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (α — частицы) — ядра атома гелия, испускаемые при α — распаде некоторыми радиоактивными атомами. α — частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа излучение — поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и

относительно тяжелых частиц).

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т. е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов.

Типичная схема α -распада природного радионуклида представлена на Рис.1 , а энергетический спектр α -частиц, образующихся при распаде радионуклида – на

Рис.2.

Рис.2 Энергетический спектр α -частиц

Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α- распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия — 2 Не4 и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды,

вырывая электроны из орбит атомов.

Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде — 30-50 микрон, в металлах — 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у 214 Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

2.1.2 Протонное излучение

Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтроннодефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).

2.1.3 Нейтронное излучение

Нейтронное излучение — поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение.

С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Свободный нейтрон — это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими

свойствами:

Заряд (e — заряд электрона)

qn = (-0,4 ± 1,1)·10-21 е

939,56533 ± 0,00004 МэВ ,

в атомных единицах

1,00866491578 ± 0,00000000055 а. е.м.

Разность масс нейтрона и протона

mn — mp = 1,2933318 ± 0,0000005 МэВ ,

в атомных единицах

0,0013884489 ± 0,0000000006 а.е.м.

Время жизни

tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4syst с

Магнитный момент

mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN

Электрический дипольный момент

dn

Электрическая поляризуемость

an = (

)·10-3 Фм 3

Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования. В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель. Наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его «неэлементарности». Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах — от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами — это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.

Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество — в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и γ — лучами, а также пучками заряженных частиц. из-за наличия массы нейтроны при том же импульсе (следовательно, при той же длине волны) обладают значительно меньшей энергией, чем рентгеновские и γ — лучи, и эта энергия оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов и молекул в веществе, что дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и динамические процессы, в нем происходящие. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет использовать их для изучения магнитной структуры и магнитных возбуждений вещества, что очень важно для понимания свойств и природы магнетизма материалов.

Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и γ -лучей). Поэтому облучение материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских и γ — лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.

Когерентное рассеяние — рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся на π от фазы первичного излучения. Рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами.

Виды лучей физика. Виды радиоактивных излучений

Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.

Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.

Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).

Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.

Рис. 12. Передача энергии путем излучения

Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух — плохой проводник тепла. Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.

Вопросы

  1. Как на опыте показать передачу энергии излучением?
  2. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
  3. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнение 5

  1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
  2. Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
  3. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?

Задание

С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.

Это любопытно…

Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).

Рис. 13. Устройство термоса

Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.

Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.

В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается — отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх — конвекции.

Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение , или еще проще радиация . К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.


Альфа излучение

  • излучаются: два протона и два нейтрона
  • проникающая способность: низкая
  • облучение от источника: до 10 см
  • скорость излучения: 20 000 км/с
  • ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
  • высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

  • излучаются: нейтроны
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: километры
  • скорость излучения: 40 000 км/с
  • ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

  • излучаются: электроны или позитроны
  • проникающая способность: средняя
  • облучение от источника: до 20 м
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация:
  • биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения — это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность:высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика Вид радиации
Альфа излучение Нейтронное излучение Бета излучение Гамма излучение Рентгеновское излучение
излучаются два протона и два нейтрона нейтроны электроны или позитроны энергия в виде фотонов энергия в виде фотонов
проникающая способность низкая высокая средняя высокая высокая
облучение от источника до 10 см километры до 20 м сотни метров сотни метров
скорость излучения 20 000 км/с 40 000 км/с 300 000 км/с 300 000 км/с 300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега 30 000 от 3000 до 5000 от 40 до 150 от 3 до 5 от 3 до 5
биологическое действие радиации высокое высокое среднее низкое низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0. 1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.


Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение) 1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение) 1
Нейтроны с энергией 5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение) 10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение) 20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение) 10
Нейтроны > 20 МэВ (нейтронное излучение) 5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи) 5
Альфа-частицы , осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение) 20

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео:

Для тех, кто не знаком с физикой или только начинает ее изучать, вопрос, что такое излучение, является сложным. Но с данным физическим явлением мы встречаемся практически каждый день. Если сказать просто, то излучение — это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн и частиц или, другими словами, это энергетические волны, распространяющиеся вокруг.

Источник излучения и его виды

Источник электромагнитных волн может быть как искусственный, так и природный. Для примера, к искусственному излучению относят рентгеновские лучи.

Почувствовать излучение можно, даже не выходя из дома: стоит только подержать руку над горящей свечой, и сразу же вы ощутите излучение тепла. Его можно назвать тепловым, но кроме него в физике есть еще несколько видов излучений. Вот некоторые из них:

  • Ультрафиолетовое — это излучение человек может чувствовать на себе во время загорания на солнце.
  • Рентгеновское излучение обладает самыми короткими волнами, они называются рентгеновскими лучами.
  • Инфракрасные лучи может видеть даже человек, пример этого — обычный детский лазер. Этот вид излучения образуется при совпадении микроволновых радиоизлучений и видимого света. Часто инфракрасное излучение применяется в физиотерапии.
  • Радиоактивное излучение образуется во время распада химических радиоактивных элементов. Узнать подробнее о радиации можно из статьи .
  • Оптическое излучение — это не что иное, как световое излучение, свет в широком смысле слова.
  • Гамма-излучение — вид электромагнитного излучения с малой длиной волны. Используется, например, в лучевой терапии.

Ученым уже давно известно, что некоторые излучения пагубно влияют на организм человека. Насколько сильным будет это влияние, зависит от длительности и мощности излучения. Если подвергать себя длительное время излучению, это может привести к изменениям на клеточном уровне. Вся электронная техника, которая нас окружает, будь-то мобильный телефон, компьютер или микроволновая печь, — всё это оказывает влияние на здоровье. Поэтому нужно следить за тем, чтобы не подвергать себя лишнему излучению.

Человек постоянно находится под воздействием разнообразных внешних факторов. Одни из них являются видимыми, например, погодные условия, и степень их воздействия можно контролировать. Другие же не видны человеческому глазу и носят название излучений. Каждый должен знать виды излучения, их роль и области применения.

Некоторые виды излучения человек может встретить повсеместно. Ярким примером являются радиоволны. Они представляют собой колебания электромагнитной природы, которые способны распределяться в пространстве со скоростью света. Такие волны несут в себе энергию от генераторов.

Источники радиоволн можно разделить на две группы.

  1. Природные, к ним относятся молнии и астрономические единицы.
  2. Искусственные, то есть созданные человеком. Они включают в себя излучатели с переменным током. Это могут быть приборы радиосвязи, вещания, компьютеры и системы навигации.

Кожа человека способна осаждать на своей поверхности этот вид волн, поэтому есть ряд негативных последствий их воздействия на человека. Радиоволновое излучение способно замедлить деятельность мозговых структур, а также вызвать мутации на генном уровне.

Для лиц, у которых установлен кардиостимулятор, такое воздействие смертельно опасно. У этих приборов имеется четкий максимально допустимый уровень излучения, подъем выше него вносит дисбаланс в работу системы стимулятора и ведет к его поломке.

Все влияния радиоволн на организм были изучены только на животных, прямого доказательства их негативного действия на человека нет, но способы защиты ученые все же ищут. Как таковых эффективных способов пока нет. Единственное, что можно посоветовать, так это держаться подальше от опасных приборов. Поскольку бытовые приборы, включенные в сеть, тоже создают вокруг себя радиоволновое поле, то просто необходимо отключать питание устройств, которыми человек не пользуется в данный момент.

Излучение инфракрасного спектра

Все виды излучения тем или иным образом связаны между собой. Некоторые из них видны человеческому глазу. Инфракрасное излучение примыкает к той части спектра, которую глаз человека может уловить. Оно не только освещает поверхность, но и способно ее нагревать.

Основным естественным источником ИК-лучей является солнце. Человеком созданы искусственные излучатели, посредство которых достигается необходимый тепловой эффект.

Теперь нужно разобраться, насколько полезным или вредным является такой вид излучения для человека. Практически все длинноволновое излучение инфракрасного спектра поглощается верхними слоями кожи, поэтому не только безопасно, но и способно повысить иммунитет и усилить восстановительные процессы в тканях.

Что касается коротких волн, то они могут уходить глубоко в ткани и вызывать перегрев органов. Так называемый тепловой удар является следствием воздействия коротких инфракрасных волн. Симптомы этой патологии известны почти всем:

  • появление кружения в голове;
  • чувство тошноты;
  • возрастание пульса;
  • нарушения зрения, характеризующиеся потемнением в глазах.

Как же уберечь себя от опасного влияния? Нужно соблюдать технику безопасности, пользуясь теплозащитной одеждой и экранами. Применение коротковолновых обогревателей должно быть четко дозировано, нагревательный элемент должен быть прикрыт теплоизолирующим материалом, при помощи которого достигается излучение мягких длинных волн.

Если задуматься, все виды излучения способны проникать в ткани. Но именно рентгеновское излучение дало возможность использовать это свойство на практике в медицине.

Если сравнить лучи рентгеновского происхождения с лучами света, то первые имеют очень большую длину, что позволяет им проникать даже через непрозрачные материалы. Такие лучи не способны отражаться и преломляться. Данный вид спектра имеет мягкую и жесткую составляющую. Мягкая состоит из длинных волн, способных полностью поглощаться тканями человека. Таким образом, постоянное воздействие длинных волн приводит к повреждению клеток и мутации ДНК.

Есть ряд структур, которые не способны пропустить через себя рентгеновские лучи. К ним относится, например, костная ткань и металлы. Исходя из этого и производятся снимки костей человека с целью диагностики их целостности.

В настоящее время созданы приборы, позволяющие не только делать фиксированный снимок, например, конечности, но и наблюдать за происходящими с ней изменениями «онлайн». Эти устройства помогаю врачу выполнить оперативное вмешательство на костях под контролем зрения, не производя широких травматичных разрезов. При помощи таких приборов можно исследовать биомеханику суставов.

Что касается негативного воздействия рентгеновских лучей, то длительный контакт с ними может привести к развитию лучевой болезни, которая проявляется рядом признаков:

  • нарушения неврологического характера;
  • дерматиты;
  • снижение иммунитета;
  • угнетение нормального кроветворения;
  • развитие онкологической патологии;
  • бесплодие.

Чтобы защитить себя от страшных последствий, при контакте с этим видом излучения нужно использовать экранирующие щиты и накладки из материалов, не пропускающих лучи.

Данный вид лучей люди привыкли называть попросту – свет. Этот вид излучения способен поглощаться объектом воздействия, частично проходя через него и частично отражаясь. Такие свойства широко применяются в науке и технике, особенно при изготовлении оптических приборов.

Все источники оптического излучения делятся на несколько групп.

  1. Тепловые, имеющие сплошной спектр. Тепло в них выделяется за счет тока или процесса горения. Это могут быть электрические и галогенные лампы накаливания, а также пиротехнические изделия и электродосветные приборы.
  2. Люминесцентные, содержащие газы, возбуждаемые потоками фотонов. Такими источниками являются энергосберегающие приборы и катодолюминесцентные устройства. Что касается радио- и хемилюминесцентных источников, то в них потоки возбуждаются за счет продуктов радиоактивного распада и химических реакций соответственно.
  3. Плазменные, чьи характеристики зависят от температуры и давления плазмы, образующейся в них. Это могут быть газоразрядные, ртутные трубчатые и ксеноновые лампы. Не исключением являются и спектральные источники, а также приборы импульсного характера.

Оптическое излучение на организм человека действует в комплексе с ультрафиолетовым, что провоцирует выработку меланина в коже. Таким образом, положительный эффект длится до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение воздействия, за пределами которого находится риск ожогов и кожной онкопатологии.

Самым известным и широко применяемым излучением, воздействие которого можно встретить повсеместно, является ультрафиолетовое излучение. Данное излучение имеет два спектра, один из которых доходит до земли и участвует во всех процессах на земле. Второй задерживается слоем озона и не проходит через него. Слой озона обезвреживает этот спектр, тем самым выполняя защитную роль. Разрушение озонового слоя опасно проникновением вредных лучей на поверхность земли.

Естественный источник этого вида излучения – Солнце. Искусственных источников придумано огромное количество:

  • Эритемные лампы, активизирующие выработку витамина Д в слоях кожи и помогающие лечению рахита.
  • Солярии, не только позволяющие позагорать, но и имеющие лечебный эффект для людей с патологиями, вызванными недостатком солнечного света.
  • Лазерные излучатели, используемые в биотехнологиях, медицине и электронике.

Что касается воздействия на организм человека, то оно двоякое. С одной стороны, недостаток ультрафиолета может вызвать различные болезни. Дозированная нагрузка таким излучением помогает иммунитету, работе мышц и легких, а также предотвращает гипоксию.

Все виды влияний делятся на четыре группы:

  • способность убивать бактерий;
  • снятие воспаления;
  • восстановление поврежденных тканей;
  • уменьшение боли.

К отрицательным воздействиям ультрафиолета можно отнести способность провоцировать рак кожи при длительном воздействии. Меланома кожи крайне злокачественный вид опухоли. Такой диагноз почти на 100 процентов означает грядущую смерть.

Что касается органа зрения, то чрезмерное воздействие лучей ультрафиолетового спектра повреждает сетчатку, роговицу и оболочки глаза. Таким образом, использовать этот вид излучения нужно в меру. Если при определенных обстоятельствах приходится длительно контактировать с источником ультрафиолетовых лучей, то необходимо защитить глаза очками, а кожу специальными кремами или одеждой.

Это так называемые космические лучи, несущие в себе ядра атомов радиоактивных веществ и элементов. Поток гамма-излучения имеет очень большую энергию и способен быстро проникать в клетки организма, ионизируя их содержимое. Разрушенные клеточные элементы действуют как яды, разлагаясь и отравляя весь организм. В процесс обязательно вовлекается ядро клеток, что ведет к мутациям в геноме. Здоровые клетки разрушаются, а на их месте образуются мутантные, не способные в полной мере обеспечить организм всем необходимым.

Данное излучение опасно тем, что человек его никак не ощущает. Последствия воздействия проявляются не сразу, а имеют отдаленное действие. В первую очередь страдают клетки кроветворной системы, волос, половых органов и лимфоидной системы.

Радиация очень опасна развитием лучевой болезни, но даже такому спектру нашли полезное применение:

  • с его помощью стерилизуют продукты, оборудование и инструменты медицинского предназначения;
  • измерение глубины подземных скважин;
  • измерение длины пути космических аппаратов;
  • воздействие на растения с целью выявления продуктивных сортов;
  • в медицине такое излучение применяется для проведения лучевой терапии в лечении онкологии.

В заключение нужно сказать, что все виды лучей с успехом применяются человеком и являются необходимыми. Благодаря им существуют растения, животные и люди. Защита от чрезмерного воздействия должна быть приоритетным правилом при работе.

§ 1. Тепловое излучение

В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:

    энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

Вт/м 2 .

    испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

.
.

Здесь
– это энергия излучения с длинами волн от λ до
.

Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:

.


.

Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.

Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:

.

Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела а а.ч.т. (λ,Т) равна единице. Это означает, что универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности абсолютно черного тела
. Таким образом, для решения задачи теплового излучения необходимо было установить вид функции Кирхгофа или испускательной способности абсолютно чёрного тела.

Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана

,
.

В
1896-м году немецкие физики во главе с Вильгельмом Вином создали суперсовременную по тем временам экспериментальную установку для исследования распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) в спектре теплового излучения абсолютно черного тела. Эксперименты, выполненные на этой установке: во-первых, подтвердили результат, полученный австрийскими физиками Й.Стефаном и Л.Больцманом; во-вторых, были полученны графики распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Они были удивительно похожи на полученные ранее Дж. Максвеллом кривые распределения молекул газа, находящегося в закрытом объеме, по величинам скоростей.

Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.

Английские классические физики лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1946) применили к тепловому излучению методы статистической физики (воспользовались классическим законом о равнораспределении энергии по степеням свободы). Рэлей и Джинс применили метод статистической физики к волнам подобно тому, как Максвелл применил его к равновесному ансамблю хаотически движущихся в замкнутой полости частиц. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная kT ( на электрическую энергию и на магнитную энергию),. Исходя из этих соображений, они получили следующую формулу для испускательной способности а.ч.т.:

.

Э
та формула хорошо описывала ход экспериментальной зависимости при больших длинах волн (на низких частотах). Но для малых длин волн (высокий частот или в ультрафиолетовой области спектра) классическая теория Рэлея и Джинса предсказывала бесконечный рост интенсивности излучения. Этот эффект получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.

С
ледующую попытку получения формулы зависимости испускательной способности а.ч.т. от длин волн предпринял Вин. С помощью методов классической термодинамики и электродинамики Вину удалось вывести соотношение, графическое изображение которого удовлетворительно совпадало с коротковолновой (высокочастотной) частью полученных в эксперименте данных, но абсолютно расходилось с результатами опытов для больших длин волн (низких частот).

.

Из этой формулы было получено соотношение, связывающее ту длину волны
, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру тела Т (закон смещения Вина):

,
.

Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.

Но формулы, описывающей всю кривую, не было.

Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.

.

14 декабря 1900-го года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу. Так родилась квантовая физика.

Квант энергии излучения, введенный Планком в физику, оказался пропорциональным частоте излучения (и обратно пропорционален длине волны):

.

– универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Планка. Она равна:
.

Свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые параметры – длина волны , частота света и волновое число .

Корпускулярные характеристики – энергия и импульс .

Волновые параметры света связаны с его корпускулярными характеристиками с помощью постоянной Планка:

.

Здесь
и
– волновое число.

Постоянной Планка принадлежит фундаментальная роль в физике. Эта размерная константа позволяет количественно оценить, насколько при описании каждой конкретной физической системы существенны квантовые эффекты.

Когда по условиям физической задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, достаточно классического (не квантового) описания.

➤➤ гдз по физике пёрышкин 8 класс учебник вопросы

Яндекс Яндекс Найти Поиск Поиск Картинки Видео Карты Маркет Новости ТВ онлайн Знатоки Коллекции Музыка Переводчик Диск Почта Все Ещё Дополнительная информация о запросе Показаны результаты для Нижнего Новгорода Москва 1 ГДЗ по Физике за 8 класс : Перышкин АВ Решебник GDZru › class-8/fizika/peryshkin-2002/ Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Подробнее о сайте ГДЗ : Спиши готовые домашние задания по физике за 8 класс , решебник АВ Пёрышкин , ФГОС, онлайн ответы на Данный решебник пригодится учащимся общеобразовательных школ, в которых физику изучают по учебнику Перышкина Само по себе издание является логическим дополнением Читать ещё ГДЗ : Спиши готовые домашние задания по физике за 8 класс , решебник АВ Пёрышкин , ФГОС, онлайн ответы на GDZRU Данный решебник пригодится учащимся общеобразовательных школ, в которых физику изучают по учебнику Перышкина Само по себе издание является логическим дополнением учебно-методического пособия и может смело считаться частью дидактического комплекса, направленного на улучшение успеваемости школьников Все вошедшие в пособие материалы полностью соответствуют требованиям к оформлению домашних, самостоятельных и лабораторных работ Скрыть 2 Гдз по Физике 8 класс : Пёрышкин Решебник учебника gdzputinainfo › Решебники › 8 класс › Физика › Пёрышкин Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Подробнее о сайте ГДЗ по физике для 8 класса Перышкин не являются шпаргалкой для списывания – это скорее детальные разъяснения алгоритма выполнения задач и примеров, которые призваны Гдз по физике 8 класс Перышкин 2013 года белый учебник Учебник Перышкина АВ –это базовое учебное пособие для изучения Читать ещё ГДЗ по физике для 8 класса Перышкин не являются шпаргалкой для списывания – это скорее детальные разъяснения алгоритма выполнения задач и примеров, которые призваны помочь школьникам в изучении физики Решебник призван помочь: восьмиклассникам, которые желают самостоятельно разобраться в порядке выполнения примера или решения задачки; родителям, которые стремятся помочь своим детям и взять под свой контроль их успеваемость Гдз по физике 8 класс Перышкин 2013 года белый учебник Учебник Перышкина АВ –это базовое учебное пособие для изучения физики в средних школах РФ Ныне оно представлено в издании 2013 года, выпущенном издательством «Дрофа» Скрыть 3 Решебник по физике Перышкин 8 класс reshakru › ГДЗ › ГДЗ Перышкин 8 класс Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Подробнее о сайте ГДЗ по физике Перышкин 8 класс – это то, о чём наши родители и родители наших родителей могли только мечтать: подробные и понятные решения всех задач и упражнений из учебника Пёрышкина для 8 класса Все ответы Перышкина 8 класс подготовлены квалифицированных учителем физики , поэтому в Читать ещё ГДЗ по физике Перышкин 8 класс – это то, о чём наши родители и родители наших родителей могли только мечтать: подробные и понятные решения всех задач и упражнений из учебника Пёрышкина для 8 класса Все ответы Перышкина 8 класс подготовлены квалифицированных учителем физики , поэтому в правильности решений можно быть точно уверенным Пользуйтесь и чувствуйте, как Вам повезло! Английский язык New Millennium English —» 11 класс —-» Решебник —-» Переводы текстов Скрыть 4 ГДЗ по физике 8 класс Перышкин — онлайн решебник uchimorg › gdz/gdz-po-fizike-8-klass-peryshkin Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Решебник к учебнику для восьмых классов общеобразовательных учреждений Перышкин АВ, издательство: «Дрофа» ГДЗ по физике 8 класс Перышкин поможет вам разобраться в задании , если возникли какие-либо сложности Читать ещё Решебник к учебнику для восьмых классов общеобразовательных учреждений Перышкин АВ, издательство: «Дрофа» ГДЗ по физике 8 класс Перышкин поможет вам разобраться в задании , если возникли какие-либо сложности Решебник по физике рекомендуется использовать родителям Но если вы учащийся, то вам желательно только проверять решение, иначе у вас будут сложности с решением задач, если вы спишите fizike — 8 — klass -peryshkin — uchimorg Решебник по физике 8 класс Перышкин онлайн Скрыть 5 ГДЗ по физике для 8 класса АВ Пёрышкин GdzPutinaru › po-fizike/8-klass/peryshkin Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Вначале сборника ГДЗ по физике за 8 класс Перышкин по физике размещены ответы к тридцати четырем упражнениям учебника Далее следуют решенные лабораторные работы После этого автор разместил полные ответы к вопросам из параграфов И в конце приведены готовые ответы к заданиям и Читать ещё Вначале сборника ГДЗ по физике за 8 класс Перышкин по физике размещены ответы к тридцати четырем упражнениям учебника Далее следуют решенные лабораторные работы После этого автор разместил полные ответы к вопросам из параграфов И в конце приведены готовые ответы к заданиям и упражнениям из нового учебника Всего пособие делится на семь глав Учениками будут рассмотрены тепловые явления, особенности измерения агрегатного состояния вещества, все виды электрических и электромагнитных явлений, также рассмотрены световые явления Скрыть 6 Решебник задач и ГДЗ по Физике 8 класс АВ Пёрышкин gdzputinanet › 8-klass-fizika-peryshkin Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте ГДЗ к учебнику за 8 класс по физике Перышкина содержит все ответы на вопросы после параграфа, поможет в решение задач и выполнении лабораторных и практических работ Вы сможете в спокойной обстановке разобраться в материале и подготовиться к следующему уроку Решебник содержит полное Читать ещё ГДЗ к учебнику за 8 класс по физике Перышкина содержит все ответы на вопросы после параграфа, поможет в решение задач и выполнении лабораторных и практических работ Вы сможете в спокойной обстановке разобраться в материале и подготовиться к следующему уроку Решебник содержит полное описание решения задач и воспользовавшись этим вы только улучшите свои знания без особого труда Вопросы в конце параграфа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 6 Скрыть 7 ГДЗ по физике 8 класс Перышкин — решебник онлайн gdz-fiveru › Решебники › 8 класс › Физика › Перышкин Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте На этой странице размещены все ГДЗ к учебнику по физике за 8 класс авторов АВ Перышкин , ЕМ Все задания данного решебника подробно рассмотрены и решены авторами, ученикам остается только списывать и забыть о домашних заданиях ! Читать ещё На этой странице размещены все ГДЗ к учебнику по физике за 8 класс авторов АВ Перышкин , ЕМ Гутник 2013 года издания Все задания данного решебника подробно рассмотрены и решены авторами, ученикам остается только списывать и забыть о домашних заданиях ! Однако сайт «GDZ-FIVERU» рекомендует списывать каждое задание с пониманием, чтобы при попадании похожих заданий и задач ученики сами смогли их решить Вопросы к параграфам Скрыть 8 Решебник ( ГДЗ ) по физике 8 класс Перышкин MegaReshebaru › Решебник Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Подробные ответы, решения и гдз к учебнику по физике для учащихся 8 класса , автор АВ Пёрышкин Решебник по физике за 8 класс автора Перышкин , 2015 год, предусмотрен для самоконтроля и подготовки к Вопросы в конце параграфа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Читать ещё Подробные ответы, решения и гдз к учебнику по физике для учащихся 8 класса , автор АВ Пёрышкин , издательство Дрофа на 2016 учебный год Решебник по физике за 8 класс автора Перышкин , 2015 год, предусмотрен для самоконтроля и подготовки к новым темам С данным изданием, школьник сможет проверять правильность выполненного домашнего задания , а также повторять пройденный материал Вопросы в конце параграфа 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 Упражнения Скрыть 9 ГДЗ по Физике за 8 класс — автор АВ Пёрышкин shkololoru › gdz-fizika/8-klass-peryshkin Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте Это решебник для учебника по Физике для 8 класса авторов АВ Пёрышкин Готовые домашние задания по физике помогут проверить себя или быстро узнать решение и списать ответ В решебнике содержится упражнений с ответами — Ученики 8 классов могут беспл Читать ещё Это решебник для учебника по Физике для 8 класса авторов АВ Пёрышкин Готовые домашние задания по физике помогут проверить себя или быстро узнать решение и списать ответ В решебнике содержится упражнений с ответами — Ученики 8 классов могут бесплатно пользоваться этим ГДЗ , чтобы проверять свою работу на правильность Спиши и поделись с другими! Скрыть 10 Гдз по Физике 8 класс пёрышкин , упражнения 2013 г ugdzru › reshebniki/8-klass/fizika/peryshkin Сохранённая копия Показать ещё с сайта Пожаловаться Информация о сайте ГДЗ по физике за 8 класс ( Перышкин АВ) – пособие, в котором собраны решения всех заданий классического учебника по физике , составленного крупнейшим отечественным педагогом и ученым- физиком АВ Перышкиным Читать ещё ГДЗ по физике за 8 класс ( Перышкин АВ) – пособие, в котором собраны решения всех заданий классического учебника по физике , составленного крупнейшим отечественным педагогом и ученым- физиком АВ Перышкиным Решебник по физике – настоящая палочка-выручалочка для родителей, неравнодушно относящихся к успеваемости своих детей и желающих не только отчетливо понимать уровень усвоения ими учебного материала по этой непростой дисциплине, но и при необходимости проверить правильность выполненного домашнего задания Скрыть « Физика 8 класс Учебник » Дрофа – в наличии! Новости и акции Бестселлеры Новинки Бонусы Многору book24ru Не подходит по запросу Спам или мошенничество Мешает видеть результаты Информация о сайте реклама Серия УМК Физика Перышкин Книжный интернет-магазин Book24 Контактная информация +7 (495) 268-08-41 круглосуточно Магазин на Маркете 18+ Вместе с « гдз по физике пёрышкин 8 класс учебник вопросы » ищут: почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна гдз по физике пёрышкин 7 класс гдз по физике пёрышкин 9 класс летом воздух в здании нагревается получая энергию различными способами 1 2 3 4 5 дальше Bing Google Mailru Нашлось 28 млн результатов Дать объявление Показать все Регистрация Войти ЯндексБраузер с защищённым режимом ускоряет загрузку сайтов и видео 0+ Закрыть Установить Спасибо, что помогаете делать Яндекс лучше! Эта реклама отправилась на дополнительную проверку ОК ЯндексДирект Попробовать ещё раз Москва Настройки Клавиатура Помощь Обратная связь Для бизнеса Директ Метрика Касса Телефония Для души Музыка Погода ТВ онлайн Коллекции Яндекс О компании Вакансии Блог Контакты Мобильный поиск © 1997–2019 ООО «Яндекс» Лицензия на поиск Статистика Поиск защищён технологией Protect Алиса в ЯндексБраузере Слушает и выполняет голосовые команды 0+ Скачать Будьте в Плюсе
Вместе с «гдз по физике пёрышкин 8 класс учебник вопросы» часто ищут:

Технологии солнечного отопления и охлаждения

Солнечные тепловые технологии поглощают солнечное тепло и передают его для полезных целей, таких как отопление зданий или водоснабжение. Существует несколько основных типов используемых солнечных тепловых технологий:

В дополнение к указанным выше солнечным тепловым технологиям, такие технологии, как солнечные фотоэлектрические модули , могут производить электроэнергию, а здания могут быть спроектированы для улавливания пассивного солнечного тепла .

Неглазурованный солнечный коллектор — одна из самых простых форм гелиотермальной технологии.Теплопроводный материал, обычно темный металл или пластик, поглощает солнечный свет и передает энергию жидкости, проходящей через теплопроводящую поверхность или за ней. Процесс похож на то, как садовый шланг, проложенный на открытом воздухе, будет поглощать солнечную энергию и нагревать воду внутри шланга.

Эти коллекторы называются «неглазурованными», поскольку они не имеют стеклянного покрытия или «остекления» на корпусе коллектора для улавливания тепла. Отсутствие остекления создает компромисс. Неглазурованные солнечные коллекторы просты и недороги, но без возможности улавливания тепла они отдают тепло обратно в окружающую среду и работают при относительно низких температурах. Таким образом, неглазурованные коллекторы, как правило, лучше всего подходят для малых и средних систем отопления или в качестве дополнения к традиционным системам отопления, где они могут снизить расход топлива за счет предварительного нагрева воды или воздуха.

Солнечные коллекторы для подогрева бассейнов являются наиболее часто используемой неглазурованной солнечной технологией в Соединенных Штатах. В этих устройствах часто используются черные пластиковые трубчатые панели, устанавливаемые на крышу или другую опорную конструкцию. Водяной насос обеспечивает циркуляцию воды в бассейне непосредственно через трубчатые панели, а затем возвращает воду в бассейн с более высокой температурой.Хотя эти коллекторы используются в основном для обогрева бассейнов, они также могут предварительно нагревать большие объемы воды для других коммерческих и промышленных целей.

Как это работает

  1. Солнечный свет: Солнечный свет падает на темный материал в коллекторе, который нагревается.
  2. Циркуляция: Холодная жидкость (вода) или воздух циркулирует через коллектор, поглощая тепло.
  3. Применение: Более теплая жидкость используется для таких целей, как подогрев бассейна.

Узнайте больше о неглазурованных солнечных коллекторах

Солнечные воздухозаборники с испаряемым воздухом

Южная стена этого склада представляет собой солнечный коллектор.
Кредит: Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США

Солнечные воздушные коллекторы с проницаемостью обычно состоят из темного перфорированного металлического облицовочного материала, установленного на существующей стене с южной стороны здания. Вентилятор втягивает наружный воздух через перфорацию в пространство за металлической облицовкой, где воздух нагревается до температуры на 30–100 °F выше температуры окружающего воздуха.Затем вентилятор втягивает воздух в здание, где он распределяется через систему вентиляции здания.

Пропускной солнечный коллектор — это проверенная, но все еще развивающаяся технология солнечного отопления. Этот тип техники лучше всего подходит для обогрева воздуха и вентиляции помещений. Его также можно применять в ряде производственных и сельскохозяйственных приложений, таких как сушка урожая.

Как это работает

  1. Солнечный свет: Солнечный свет попадает на темную перфорированную металлическую облицовку, которая нагревается.
  2. Циркуляция: Циркуляционный вентилятор нагнетает воздух через перфорацию за металлической облицовкой, нагревая воздух, который затем подается в здание для распределения.

Узнайте больше об испаряемых солнечных коллекторах воздуха

Плоские солнечные коллекторы

Массив плоских солнечных коллекторов на крыше школы.
Авторы и права: Джо Райан, NREL 19690

Большинство плоских коллекторов состоят из медных трубок и других теплопоглощающих материалов внутри изолированного каркаса или корпуса, покрытых прозрачным остеклением (стеклом). Теплопоглощающие материалы могут иметь специальное покрытие, поглощающее тепло более эффективно, чем непокрытая поверхность.

Глазурованные плоские коллекторы могут эффективно работать в более широком диапазоне температур, чем неглазурованные коллекторы. Плоские коллекторы часто используются в дополнение к традиционным водогрейным котлам, предварительно нагревая воду для снижения потребности в топливе. Они также могут быть эффективными для обогрева помещений. Используя систему теплообмена, они могут надежно производить горячий воздух для больших зданий в светлое время суток.

Как это работает

  1. Солнечный свет: Солнечный свет проходит через стекло и попадает на темный материал внутри коллектора, который нагревается.
  2. Отражение тепла: Корпус из прозрачного стекла или пластика задерживает тепло, которое в противном случае излучалось бы наружу. Это похоже на то, как теплица удерживает тепло внутри.
  3. Циркуляция: Холодная вода или другая жидкость циркулирует по коллектору, поглощая тепло.

Узнайте больше о плоских солнечных коллекторах

Солнечные коллекторы с вакуумными трубками

Солнечный коллектор с вакуумной трубкой на крыше.
Кредит: NREL PIX 09501

Вакуумные трубчатые коллекторы представляют собой тонкие медные трубки, заполненные жидкостью, такой как вода, помещенные внутрь более крупных герметичных прозрачных стеклянных или пластиковых трубок.

Вакуумные трубы более эффективно используют солнечную энергию и могут создавать более высокие температуры, чем плоские коллекторы, по нескольким причинам. Во-первых, конструкция трубки увеличивает площадь поверхности, доступную солнцу, эффективно поглощая прямые солнечные лучи под разными углами. Во-вторых, трубки также имеют частичный вакуум внутри корпуса из прозрачного стекла, что значительно снижает потери тепла во внешнюю среду.

Как это работает

  1. Солнечный свет: Солнечный свет падает на темный цилиндр, эффективно нагревая его под любым углом.
  2. Отражение тепла: Корпус из прозрачного стекла или пластика задерживает тепло, которое в противном случае излучалось бы наружу. Это похоже на то, как теплица удерживает тепло внутри.
  3. Конвекция: Медная трубка, проходящая через каждый цилиндр, поглощает аккумулированное в цилиндре тепло, в результате чего жидкость внутри трубки нагревается и поднимается к верхней части цилиндра.
  4. Циркуляция: Холодная вода циркулирует через верхнюю часть цилиндров, поглощая тепло.

Вакуумные трубчатые системы обычно дороже, чем плоские коллекторы, но они более эффективны и могут создавать более высокие температуры. Вакуумные трубы могут надежно производить очень горячую воду для периодического нагрева воды или по запросу, а также для многих промышленных процессов, и они могут производить достаточно тепла, чтобы справиться практически с любыми приложениями отопления или охлаждения помещений.

Узнайте больше о солнечных коллекторах с вакуумными трубками

Концентрирующие солнечные системы

Этот массив параболических желобов на крыше, концентрирующих солнечные коллекторы, обеспечивает технологическое тепло для винодельни. Эти коллекторы имеют уникальную конструкцию, которая позволяет им производить электричество в дополнение к теплу.
Авторы и права: SunWater Solar

Концентрирующие солнечные системы работают, отражая и направляя солнечную энергию с большой площади на маленькую.Меньшие отражающие массивы в форме чаши могут производить воду с температурой в несколько сотен градусов для промышленных или сельскохозяйственных процессов или для нагрева больших объемов воды, например, в плавательных бассейнах на курортах. Некоторые массивы работают с длинными параболическими желобами, которые концентрируют солнечный свет на трубе, проходящей по всей длине желоба, по которой проходит жидкий теплоноситель. Еще более крупные системы используют зеркальные поля для отражения солнечного света на центральную башню. Эти типы массивов производят пар высокого давления или другие перегретые жидкости для целого ряда видов деятельности, от теплоемкой химической обработки до производства электроэнергии.

Как это работает

  1. Солнечный свет: Солнечный свет падает на отражающий материал (то есть на зеркальную поверхность), обычно имеющий форму желоба (показан здесь) или тарелки.
  2. Солнечное отражение: Светоотражающий материал перенаправляет солнечный свет в одну точку (для тарелки) или трубу (для желоба).
  3. Циркуляция: По трубе циркулирует холодная вода или специальный теплоноситель, поглощающий тепло.

Концентрационные системы способны производить чрезвычайно горячие жидкости для различных процессов, и они могут производить относительно большое количество энергии на каждый вложенный доллар.Однако эти системы, как правило, намного больше и сложнее, чем другие типы солнечных коллекторов, описанных выше, с более высокой общей ценой. Таким образом, технология концентрации солнечной энергии, как правило, наиболее эффективна для крупномасштабного использования при высоких температурах, хотя использование при более низких температурах все же может быть экономически эффективным при определенных обстоятельствах.

Узнайте больше о концентрирующих солнечных системах

Советы по энергосбережению

Какие шаги можно предпринять, чтобы снизить потребление энергии в холодную погоду?

  • Закройте шторы и жалюзи, чтобы уменьшить потери тепла через окна.Держите двери и окна закрытыми, чтобы свести к минимуму выход теплого воздуха из дома.
  • Выключите и отключите ненужные светильники и приборы.
  • Избегайте использования крупных бытовых приборов (например, печей, стиральных машин и т. д.).
  • При использовании потолочного вентилятора настройте его на вращение по часовой стрелке для циркуляции тепла.
  • Уменьшите температуру термостатов до 68°. Носите теплую, удобную одежду, чтобы согреться в помещении, вместо того, чтобы регулировать термостат.

Важно всегда оставаться в безопасности.Вот советы по безопасности, которые нужно помнить круглый год.

  • Никогда не используйте плиту или духовку в качестве обогревателя. Использование печи или плиты для обогрева дома может привести к образованию опасного угарного газа.
  • Протестируйте датчики дыма, чтобы убедиться, что они работают в каждой спальне, за пределами каждой спальной зоны и на каждом этаже.
  • Проверьте или установите датчики угарного газа в центральном месте за пределами спальных районов.
  • Держите легковоспламеняющиеся жидкости и аэрозольные баллончики на расстоянии не менее трех футов от нагревательного оборудования.
  • При использовании обогревателя, работающего на природном газе, оставьте окно открытым на пару дюймов для надлежащей вентиляции.
  • Поддерживайте чистоту, порядок и отсутствие легковоспламеняющихся материалов вокруг газового водонагревателя или печи. Убедитесь, что ваши приборы, работающие на природном газе, обслуживаются, и обратитесь к профессионалам для необходимого ремонта.
  • Дополнительные советы по безопасности см. на сайте cpsenergy.com/safety.

Экстремальные погодные условия — основная причина высоких счетов за электроэнергию. Мы будем работать с вами над планом платежей, и у нас есть программы поддержки клиентов.

  • Удобно подать онлайн заявку на план платежей в Управление моей учетной записью (MMA)
    • Войти в MMA
    • Нажмите Скидки и программы
    • Нажмите на Планы платежей

Используйте следующее, чтобы контролировать потребление энергии.

  • Сберегательные программы . Перейдите сюда, чтобы воспользоваться калькулятором энергопотребления, узнать о ближайших мероприятиях и т. д.
  • Войдите в систему Управление моей учетной записью , где вы можете просматривать потребление энергии, прошлые счета и многое другое
  • SaveNow через наши программы энергосбережения и скидки
  • Ознакомьтесь с приведенными ниже советами, которые помогут сделать ваш дом более энергоэффективным

Вот несколько простых и недорогих мер по экономии энергии, которые вы можете предпринять в своем доме в течение всего года, чтобы сэкономить энергию и деньги на счетах за коммунальные услуги.

ОТОПЛЕНИЕ ДОМА В ЗИМНИЕ МЕСЯЦЫ:

Ваша система отопления использует более половины энергии в вашем доме. Несколько изменений в ваших привычках могут приносить больше денег в ваш карман каждый месяц. Вот несколько советов:

  • В холодное время года устанавливайте термостат на 68–70 градусов, когда вы дома. 68 отлично!
  • Используйте программируемый термостат. Установите его на более низкую температуру, пока вас нет. Затем запрограммируйте его на комфортную температуру, когда вы вернетесь.Рассмотрим один из наших энергосберегающих термостатов .
  • Ежемесячно проверяйте воздушный фильтр и обязательно заменяйте его, если он загрязнится.
  • Дважды в год лицензированный специалист должен проверять и очищать ваш HVAC.
  • Запланируйте следующий теплый сезон и подумайте о замене кондиционера, если он старше 10 лет. Рассмотрим новую, более эффективную модель. Воспользуйтесь скидками CPS Energy на HVAC. При покупке нового центрального кондиционера помните, что правильный размер и качественная установка имеют решающее значение. Узнать больше
  • Устраните утечки в системе воздуховодов.
  • Сократите утечки воздуха и предотвратите ненужную инфильтрацию воздуха в доме. Добавьте герметик вокруг оконных рам и уплотнитель вокруг дверных рам.
  • Используйте потолочные вентиляторы или переносные вентиляторы для циркуляции воздуха. Убедитесь, что потолочные вентиляторы зимой работают по часовой стрелке. Не забывайте выключать вентиляторы, когда уходите из комнаты!
  • Проверьте изоляцию на чердаке.Рекомендуемый уровень для чердака в Южном Техасе составляет от R-30 до R-60 (чем выше значение R, тем лучше ваш чердак сопротивляется жаре и холоду). Воспользуйтесь скидками CPS Energy на утепление чердака. Узнать больше
  • Замените старые окна окнами ENERGY STAR®. Это может сократить ваш счет за электроэнергию на целых 15 процентов.
  • Посадите вокруг дома деревья и кустарники, чтобы защитить дом от холодного ветра. Воспользуйтесь нашими скидками на деревья Green Shade.
  • Установите недорогие пенопластовые прокладки за лицевыми панелями всех электрических розеток и выключателей света.

ВОДЯНОЕ ОТОПЛЕНИЕ:

Продолжительный горячий душ увеличивает ваши счета не только за воду, но и за электроэнергию. Поэтому подумайте об экономии для определенных повседневных задач и экономьте не только воду, но и электроэнергию.

  • Принимайте непродолжительный душ или неглубокую ванну.
  • Используйте как можно больше холодной воды при использовании посудомоечной или стиральной машины.
  • Купите высокоэффективную стиральную машину, если вам нужна новая стиральная машина.
  • Проверьте настройку водонагревателя. Рекомендуемая настройка для нашей местности — 120 градусов. Также проверьте блок на наличие возможных утечек.
  • Оберните старый водонагреватель теплоизоляционным кожухом, чтобы уменьшить потери тепла. Изоляция водопроводных труб также может помочь.
  • Не оставляйте включенной горячую воду во время бритья или полоскания посуды. Это уменьшит количество энергии, необходимой для нагрева воды, а также сэкономит ваши расходы на воду.
  • Подождите, чтобы помыть посуду и одежду, пока у вас не будет полной загрузки.
  • Установите насадку для душа с низким расходом или аэратор для смесителя, чтобы не только экономить воду, но и снизить расходы на нагрев воды.
  • Попробуйте водонагреватель на природном газе для большей эффективности. Воспользуйтесь нашими скидками на природный газ.
  • Рассмотрим безбаковую систему водонагревателя. Безрезервуарные агрегаты нагревают воду напрямую, без использования накопительного бака, что позволяет экономить энергию и воду, а также сокращать ваши счета за коммунальные услуги.

ХОЛОДИЛЬНИК И МОРОЗИЛЬНИК:

  • Держите холодильник и морозильную камеру полными, даже если вы используете только бутылки с водой. Полный холодильник потребляет меньше энергии.
  • Установите температуру холодильника в диапазоне от 37° до 40° по Фаренгейту. Установите морозильник между 0° и 5°.
  • Убедитесь, что уплотнитель вокруг дверцы герметичен, и очистите теплообменники холодильника от ворсинок и пыли.
  • Не держите холодильник в некондиционируемом помещении, потому что ему придется больше работать, чтобы сохранять прохладу.

СТИРАЛЬНАЯ, СУШИЛЬНАЯ И ПОСУДОМОЕЧНАЯ МАШИНА:

  • Сэкономьте деньги, позволив сушить одежду в Техасе.Используйте бельевую веревку или сушилку вместо сушилки. Если ваша одежда высыхает немного жестко, используйте цикл «распушивания» сушилки (до 14:00 или после 19:00 в дни, когда ожидается высокий спрос на электроэнергию).
  • Включайте стиральную, сушильную и посудомоечную машины только тогда, когда они полностью загружены.
  • Стирайте белье в холодной воде.
  • Не переполняйте сушилку. Сушите белье встык и чистите фильтр для ворса между загрузками. Таким образом, сушилка остается горячей после предыдущей загрузки, что позволяет экономить электроэнергию.
  • Используйте режим воздушной сушки в посудомоечной машине. Сухой режим использует больше энергии и нагревает ваш дом, требуя большего количества кондиционера.

ЭЛЕКТРОНИКА:

  • Выключайте свет и отключайте телевизоры и другое оборудование, когда выходите из комнаты. Используйте удлинители, чтобы сделать это быстро и легко.
  • Все электрические устройства потребляют некоторое количество энергии и могут выделять тепло, когда они выключены, но все еще подключены к сети.  Выключайте и отключайте освещение, бытовые приборы и кабельные коробки, когда они не используются.
  • После завершения зарядки отключите зарядное устройство телефона и аналогичные устройства.
  • Игровые приставки могут потреблять много энергии. Избегайте просмотра дисков DVD и Blu-ray на игровой приставке, поскольку она потребляет в пять (5) раз больше энергии, чем обычный проигрыватель DVD.

ОСВЕЩЕНИЕ:

  • Замените традиционные лампы накаливания, которые потребляют много энергии для производства света и тепла и больше не производятся. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), галогенные лампы накаливания и светодиоды (СИД) могут первоначально стоить дороже, чем традиционные лампы накаливания, но они экономят ваши деньги в течение всего срока службы, поскольку потребляют меньше энергии.
  • Выключите свет в незанятых комнатах.
  • Использование небольшого источника света при чтении более эффективно, чем яркое освещение всей комнаты. Кроме того, держите ваши лампочки чистыми и свободными от пыли.
  • Компактные люминесцентные лампы и светодиоды
  • отлично подходят для использования в светильниках наружного освещения, которые иногда остаются включенными в течение длительного времени и могут подвергаться воздействию погодных условий.

Что вызывает повышение температуры? | Научные вопросы с неожиданными ответами

Категория: Физика      Опубликовано: 10 июля 2014 г.

Изображение общественного достояния, источник: Кристофер С.Бэрд.

Тепло не поднимается, поднимается горячий воздух (обычно). Тепло может распространяться во всех направлениях. Существует три основных пути распространения тепла:

  1. Излучение : Все длины волн электромагнитных волн, включая свет, несут энергию. Когда электромагнитные волны ударяются о объект, они частично поглощаются, а энергия, переносимая волнами, преобразуется в тепло в объекте. Кроме того, горячие объекты излучают электромагнитные волны («тепловое излучение»), которые уносят энергию и могут нагревать другие объекты, с которыми они сталкиваются.В широком смысле вы можете думать об электромагнитных волнах как о передаче тепла от одного объекта к другому. Хотя, строго говоря, когда волны распространяются, они несут только энергию электромагнитного поля, а не тепло. Тепло генерируется, когда волны поглощаются материей.
  2. Проводимость : Когда один горячий объект находится в непосредственном контакте с другим объектом, тепло может передаваться непосредственно от одного объекта к другому через соприкасающиеся поверхности.
  3. Конвекция .Когда жидкость, такая как воздух или вода, соприкасается с горячим объектом, она может нагреваться, а затем перемещаться в объеме как жидкость, тем самым быстро перенося тепло в новые места. Подъем горячего воздуха является типичным примером тепловой конвекции. По этой причине «тепло» и «горячий воздух» часто путают друг с другом.

Тепловое излучение имеет тенденцию распространяться во всех направлениях, а не только вверх. Когда вы стоите в нескольких шагах от большого костра, большая часть тепла, которое вы получаете, передается вам через тепловое излучение.Хотя горячий воздух от пламени костра движется в основном вверх, тепловое излучение без проблем выходит вбок и поражает вас. Тепловое излучение костра распространяется во всех направлениях, так что вы можете чувствовать, как оно согревает вас, где бы вы ни стояли (пока вы находитесь достаточно близко). Солнечный свет нагревает вас — еще один пример теплового излучения. Солнечный свет без проблем путешествует во всех направлениях через пространство и проходит через земную атмосферу, чтобы поразить вас.

Тепло, распространяющееся за счет теплопроводности, также может распространяться во всех направлениях. Кондуктивное тепло имеет тенденцию распространяться больше всего в направлении, где существует наибольший температурный градиент, и в направлении, где материал имеет самую высокую теплопроводность. Другими словами, проводимое тепло сильнее всего распространяется в самые холодные регионы по путям, где тепло встречает наименьшее сопротивление. Если вы положите длинный металлический стержень по диагонали так, чтобы его верхний конец находился в пламени, а нижний — на земле, тепло от пламени без проблем пройдет вниз по стержню к нижнему концу за счет теплопроводности.

Тепло, распространяющееся конвекцией, также может перемещаться во всех направлениях, но имеет тенденцию перемещаться в основном вбок и вверх, если в жидкости могут образовываться естественные конвекционные потоки. Жидкости, такие как воздух и вода, обычно становятся менее плотными при нагревании, в результате чего их толкает в стороны и вверх более холодная и более плотная жидкость вокруг них, которая сильнее притягивается вниз под действием силы тяжести. Но это не всегда так. Когда температура воды остается ниже 4° по Цельсию, она на самом деле становится более плотной по мере нагревания.Это означает, что в холодном зимнем пруду более теплая вода опускается на дно. Таким образом, даже для чего-то такого простого, как вода, тепло, перемещающееся в результате конвекции, не всегда поднимается вверх.

Кроме того, конвекция может быть вызвана не только гравитацией. Во вращающейся системе отсчета, такой как центрифуга или поворотный стол, центробежная сила может стать доминирующей силой. В этом случае менее плотные жидкости (как правило, более теплые) будут стекать к центру вращения под действием центробежной силы, а более плотные жидкости (как правило, более холодные) будут стекать от центра вращения. .Эту ситуацию легко проверить. Поместите зажженную свечу в открытую стеклянную банку (чтобы она не задула) и поставьте их на вращающийся поднос. Когда поворотный стол поворачивается, вы увидите, что пламя свечи направлено к центру вращения, а не вверх. В качестве другого примера, конвекция может быть вызвана вентиляторами и насосами. Горячий воздух без проблем уходит вниз, если есть вентилятор, дующий в этом направлении.

Таким образом, тепло может распространяться во всех направлениях. Направление распространения тепла сильно зависит от ситуации.Более того, даже горячий воздух может двигаться во всех направлениях, а не только вверх. Горячий воздух поднимается только тогда, когда преобладает гравитация.

Темы: проводимость, конвекция, электромагнетизм, энергия, тепло, горячий воздух, свет, излучение, тепловое излучение, термодинамика

Использование избыточного тепла города для сокращения выбросов

Тепло от сточных и канализационных стоков в настоящее время обеспечивает около 70 процентов отопления помещений и горячего водоснабжения для 43 зданий, подключенных к сети, а остальные 30 процентов поступают от природного газа, хотя цель должен закончить это к 2030 году.Электричество, питающее тепловые насосы, на 97% не содержит углерода и вырабатывается плотинами гидроэлектростанций.

«Каждый раз, когда мы принимаем душ, моем посуду или стираем белье, вода все еще остается горячей, когда она уходит в канализацию», — говорит Эшли Сент-Клер, старший планировщик возобновляемых источников энергии в Ванкувере.

«Он течет под нашими улицами, и мы уже собираем его через традиционную инфраструктуру канализационных труб, и возможность использовать это отработанное тепло — это действительно идеальная экономика замкнутого цикла.”

Проект был запущен в 2010 году, как раз вовремя, чтобы обогреть олимпийскую деревню к зимним играм 2010 года, и это была первая в Северной Америке система рекуперации отработанного тепла сточных вод масштаба предприятия. С тех пор он расширился, и в ближайшие десятилетия планируется дальнейшее расширение, чтобы обеспечить отоплением 22 миллиона квадратных футов.

И это не может произойти достаточно скоро: только в этом году Ванкувер пережил несколько приступов экстремальной погоды, которые стали более вероятными и интенсивными из-за изменения климата: тепловые купола, лесные пожары и катастрофические наводнения, которые недавно отрезали город от автомобильного и железнодорожного транспорта. из остальной части Канады.По словам г-жи Сент-Клер, наличие собственного тепла и горячего водоснабжения стало дополнительным преимуществом проекта.

Стокгольм, с другой стороны, использует сеть централизованного теплоснабжения с 1950-х годов, по словам Эрика Риландера, руководителя отдела рекуперации тепла Стокгольмской компании Exergi, занимающейся отоплением и охлаждением. По его словам, значительная часть тепла города уже обеспечивается за счет сжигания мусора и древесных отходов обширной лесной промышленности Швеции, но центры обработки данных все чаще становятся частью энергетического баланса.

Начиная с 2017 года Стокгольмские парки данных, результат сотрудничества города и Exergi, предлагают компаниям различные места для строительства новых центров обработки данных и участия в системе рекуперации тепла. Предприятиям платят за тепло, которое они отдают в сеть.

Сверххолодные материалы, излучающие тепло в космос

Тепловое изображение панели с «суперхолодным» покрытием возле Колумбийского университета в Нью-Йорке. Предоставлено: Jyotirmoy Mandal

.

Когда бизнесмену Говарду Бисла поручили спасти местный магазин от финансового краха, одной из его первых забот было энергоэффективность.В июне 2018 года он обратился к своему местному поставщику электроэнергии в Сакраменто, штат Калифорния, с просьбой обновить освещение. У провайдера была другая идея. Было предложено установить экспериментальную систему охлаждения: панели, которые могли бы оставаться холоднее, чем их окружение, даже под палящим солнцем, не потребляя энергии.

Панели с алюминиевым покрытием теперь установлены на крыше магазина, их зеркальные поверхности покрыты тонкой охлаждающей пленкой и обращены к небу. Они охлаждают жидкость в трубах под ним, которые ведут в магазин, и вместе с новым освещением сократили счета за электроэнергию примерно на 15%.«Даже в жаркий день в них не жарко, — говорит Бисла.

Суперкрутые панели на крыше магазина в Сакраменто, Калифорния. Фото: Аасват Паттабхи Раман.

Панели были обнаружены в Стэнфордском университете в Калифорнии. В 2014 году исследователи объявили, что они создали материал, который остается холоднее, чем его окружение под прямыми солнечными лучами 1 . Два члена команды, Shanhui Fan и Aaswath Raman, вместе с коллегой Eli Goldstein основали стартап SkyCool Systems и поставили панели Bisla.С тех пор они и другие исследователи создали множество материалов, включая пленки, аэрозольные краски и обработанную древесину, которые сохраняют прохладу в жару.

Все эти материалы основаны на усилении естественного эффекта отвода тепла, известного как пассивное радиационное охлаждение. Каждый человек, здание и объект на Земле излучают тепло, но подобная одеялу атмосфера планеты поглощает большую его часть и излучает обратно. Однако инфракрасные лучи с длиной волны от 8 до 13 микрометров не улавливаются атмосферой и покидают Землю, уходя в холодное космическое пространство.Еще в 1960-х годах ученые стремились использовать это явление на практике. Но пассивное радиационное охлаждение заметно только ночью: днем ​​солнечные лучи омывают нас гораздо большим количеством тепловой энергии, чем мы можем отправить в космос.

Новые материалы отражают широкий спектр света почти так же, как зеркала или белая краска. Однако в критической части инфракрасного спектра 8–13 мкм они сильно поглощают, а затем испускают излучение. Когда материалы направлены в небо, инфракрасные лучи могут проходить прямо через атмосферу в космос.Это эффективно связывает материалы с неиссякаемым теплоотводом, в который они могут продолжать сбрасывать тепло, не возвращая его обратно. В результате они могут излучать достаточно тепла, чтобы постоянно оставаться на несколько градусов холоднее, чем окружающий воздух; исследования показывают, что разница температур может превышать 10 °C в жарких и сухих местах 2 , 3 . Дэвид Сейлор, руководитель Центра исследований городского климата в Университете штата Аризона в Темпе, назвал их суперкрутыми материалами.

Эти материалы могут не только сэкономить на счетах за электроэнергию, говорят энтузиасты, но и уменьшить всплеск спроса на энергоемкое охлаждение и кондиционирование воздуха по мере того, как мир нагревается. «Я считаю, что через четыре-пять лет дневные системы радиационного охлаждения станут технологией номер один для зданий», — говорит Маттеос Сантамоурис из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, Австралия, который сам работает над улучшением таких материалов. «Это кондиционер будущего».

Несколько исследователей даже предположили, что эти материалы можно рассматривать как часть стратегии геоинженерии, чтобы помочь Земле сбрасывать тепло для противодействия глобальному повышению температуры.«Вместо того, чтобы пытаться блокировать поступающее тепло от Солнца, можем ли мы просто заставить Землю излучать больше?» — спрашивает Джереми Мандей, физик из Калифорнийского университета в Дэвисе.

Поверхность, покрытая суперохлаждающей краской, остается холоднее, чем ее окружение, как показано на этом тепловом изображении. Фото: Jyotirmoy Mandal

Но многие ученые относятся к этим идеям с осторожностью. До сих пор теоретические оценки того, сколько электроэнергии может быть сэкономлено, основывались на данных небольших образцов, протестированных в течение короткого промежутка времени. Также есть сомнения в способности материалов работать в самых разных климатических условиях и местах. Охлаждающий эффект лучше всего работает в сухом климате и при ясном небе; когда облачно или влажно, водяной пар задерживает инфракрасное излучение. А сверхкрутые материалы могут не выдержать любую погоду и не подойти для всех зданий.

Еще одно неизвестное — примут ли потребители эту идею. По словам Сейлор, даже простая мера замены изношенных крыш светоотражающими белыми крышами для охлаждения домов не получила широкого распространения среди домовладельцев.Однако его работа по моделированию предполагает, что использование суперхолодной краски может удвоить экономию энергии по сравнению с белой крышей. «Это немного меняет правила игры — потенциально», — говорит он.

Преодоление Солнца

В 2012 году Раман, который вместе с Фэном работал над докторской диссертацией по материалам для сбора солнечной энергии, наткнулся на старые исследования о пассивном радиационном охлаждении, эффекте, о котором он не слышал. Понимая, что никто не придумал, как использовать его под прямыми солнечными лучами, он исследовал оптические свойства материала, необходимые для преодоления солнечного тепла.Он должен отражать солнечный спектр в диапазоне длин волн от 200 нанометров до 2,5 мкм даже эффективнее, чем белая краска, которая уже имеет коэффициент отражения до 94%. И он должен поглощать и излучать как можно ближе к 100% длин волн в критическом диапазоне 8–13 мкм (см. «Сохранение их прохлады»).

Все это можно было бы сделать с помощью инженерных материалов на наноуровне, думали Раман и Фан. Создание структур меньше длины волны света, который будет проходить через них, должно увеличить поглощение и излучение одних длин волн и подавить другие.

Группе пришла в голову идея выгравировать узоры на поверхностях 4 , и они опубликовали ее в 2013 году. Затем группа подала заявку в Агентство перспективных исследовательских проектов США (ARPA-E) для финансирования ее создания.

«Я сразу подумал: «Вау, мне бы очень хотелось, чтобы кто-то действительно сделал это», — вспоминает Говард Бранц, в то время программный директор ARPA-E в Вашингтоне, округ Колумбия, а теперь консультант по технологиям в Боулдере, штат Колорадо. «Было много работы по радиационному охлаждению в ночное время, но делать это под ярким солнечным светом довольно поразительно.”

Бранц дал исследователям 400 000 долларов США и год. Имея так мало времени, команда из Стэнфорда решила упростить дизайн и попробовать наслоить материалы более привычными способами. Чтобы создать что-то с высокой отражающей способностью, исследователи чередовали четыре тонких слоя материалов, которые сильно преломляют свет (диоксид гафния) и слабо (диоксид кремния или стекло). через разные слои. Они использовали тот же принцип для усиления инфракрасного излучения, нанеся сверху три более толстых слоя тех же материалов.

Когда они тестировали свой материал на открытом воздухе 1 , он оставался почти на 5 °C холоднее, чем температура окружающей среды, даже под прямыми солнечными лучами мощностью около 850 Вт на квадратный метр. (В ясный ясный день на уровне моря интенсивность солнечного света прямо над головой достигает около 1000 Вт·м 2 ).

После этого успеха ARPA-E профинансировала другие предложения сверхкрутых материалов. Среди них была идея Xiaobo Yin и Ronggui Yang из Университета Колорадо в Боулдере, которые хотели производить материалы в больших масштабах.Они решили работать с дешевым пластиком и стеклом. Стеклянные сферы подходящего размера — несколько микрометров в поперечнике — сильно излучают в диапазоне 8–13 мкм. Поместив их в пленку из прозрачного полиметилпентена толщиной 50 мкм — пластика, используемого в некотором лабораторном оборудовании и кухонной посуде, — и покрыв его отражающим серебром, было достаточно, чтобы создать суперхолодный материал 5 . Что еще более важно, исследователи смогли сделать пленку с помощью технологии рулонного проката, которая производит 5 метров в минуту.

Художественное представление стеклянных сфер, заключенных в пластиковый лист, которые остывают, когда их помещают на отражающую серебряную подложку.Авторы и права: Яо Чжай и др./Наука

Выяснилось, что переохлаждение при правильной структуре проявляют многие материалы — не только экзотические или специальные. В 2018 году исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, сообщили о суперкрутой краске на основе распыляемого полимерного покрытия 6 . Многие полимеры естественным образом излучают в инфракрасном диапазоне 8–13 мкм, потому что их химические связи, например, между атомами углерода или между углеродом и фтором, испускают пакеты инфракрасного света, когда они растягиваются и расслабляются, объясняет член команды Юань Ян.Ключевым моментом было усиление способности полимеров отражать солнечный свет.

Ученица Янга Джотирмой Мандал, которая в настоящее время является постдокторантом в лаборатории Рамана в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, растворила прекурсоры фторированных полимеров в ацетоне с небольшим количеством воды. Эту смесь можно распылять на поверхность для создания ровного полимерного покрытия с диспергированными по нему мельчайшими капельками воды. Летучий ацетон высыхает первым, за ним высыхают капли воды, оставляя после себя поры, которые заполняются воздухом.По словам Янга, в результате получается белое покрытие с порами внутри, отражающими солнечный свет.

В мае прошлого года команда из Колорадо сообщила о другом материале: охлаждающем дереве, созданном совместно с Лянбинг Ху и Тянь Ли в Университете Мэриленда, Колледж-Парк. Как и полимеры, древесина содержит химические связи, которые испускают инфракрасное излучение нужного типа, говорит Ли. Чистый охлаждающий эффект может быть достигнут путем химического удаления жесткого компонента, называемого лигнином, чтобы сделать древесину отражающей, и сжатия продукта, чтобы выровнять его целлюлозные волокна и усилить инфракрасное излучение 7 .

Натуральная древесина (слева) рядом с обработанной древесиной, которая отводит тепло. Фото: Liangbing Hu, InventWood

Ученые также изготовили суперхолодные тонкие пленки из полидиметилсилоксана (ПДМС), силиконового материала, используемого в таких продуктах, как смазки, кондиционеры для волос и Silly Putty, путем распыления его на отражающую подложку. Совсем недавно, в августе прошлого года, Цзунфу Ю из Университета Висконсин-Мэдисон и Цяоцян Ган из Университета штата Нью-Йорк в Буффало обнаружили, что алюминиевая пленка, покрытая методом распыления 100-мкм слоем PDMS, остается на 11 °C холоднее, чем окружающая среда. воздуха при размещении на автостоянке кампуса в середине дня 2 .

Спокойствие

Почти все исследовательские группы запатентовали свои изобретения и теперь пытаются их продать. Ган работает с отраслевыми партнерами, которых он отказался назвать, над коммерциализацией PDMS-алюминиевой пленки. Колумбийский университет передал лицензию на свою сверхкрутую краску нью-йоркскому стартапу MetaRE, основанному Мандалом и сотрудником Янга из Колумбийского университета Нанфангом Ю, для разработки. MetaRE также работает с промышленностью над разработкой краски для кровли, рефрижераторных перевозок, хранения и текстильных изделий, говорит исполнительный директор Эйприл Тиан.По ее словам, продукт «высококонкурентен» по сравнению с обычными красками.

Другие стартапы подчеркивают, сколько электроэнергии могут сэкономить их продукты. Фан и Раман разработали собственную систему для панелей SkyCool Systems. В 2017 году они предсказали, что система может сократить количество электроэнергии, используемой зданием для охлаждения, на 21% летом в жарком и сухом Лас-Вегасе, штат Невада 8 ​​. Раман говорит, что панели окупятся через три-пять лет. Инь и Ронгуй Ян основали в Боулдере компанию под названием Radi-Cool, чтобы коммерциализировать пластик со встроенным стеклом.В январе прошлого года они сообщили, что материал может снизить потребление электроэнергии для охлаждения летом на 32–45%, если его интегрировать с чиллерами в коммерческих зданиях в Фениксе, штат Аризона; Майами, Флорида; и Хьюстон, Техас 9 . Тем временем Ху передал лицензию на сверхкрутой древесный материал компании InventWood из Мэриленда, которую он основал. Он прогнозирует, что это может сэкономить 20–35% энергии охлаждения в 16 городах США 7 .

Но эти оценки основаны на экспериментах и ​​моделях, которые слишком ограничены, чтобы их можно было экстраполировать на целые здания в городах, предупреждает Диана Юрге-Форзац, ученый-эколог из Центральноевропейского университета в Будапеште, специализирующаяся на смягчении последствий изменения климата.Фактическая экономия энергии и то, как быстро суперхолодный материал окупит себя, будут зависеть от конструкции здания, местоположения и погодных условий, добавляет Инь.

Местоположение — самое большое препятствие. «Есть определенные географические регионы, где это просто не сработает, потому что атмосфера недостаточно сухая», — говорит Джеймс Клаузнер, инженер-механик из Мичиганского государственного университета в Ист-Лансинге, который после Брэнца был директором программы ARPA-E и профинансировал некоторые предложения в этой области.Но это не слишком отталкивает, говорит он, потому что регионы, где эффект работает хорошо, — это засушливые районы, такие как юго-запад Соединенных Штатов или Ближний Восток, которые имеют высокие требования к кондиционированию воздуха.

Другая проблема заключается в том, что системы радиационного охлаждения могут увеличить затраты на отопление зимой. Чтобы решить эту проблему, Сантамоурис пытается ввести жидкий слой поверх суперхолодных материалов, который замерзнет, ​​когда температура упадет достаточно низко. Как только жидкость затвердевает, излучение больше не может выходить в космос, поэтому охлаждающий эффект прекращается.А в октябре прошлого года Мандал и Ян сообщили об еще одном способе остановить переохлаждение 10 . Если они заполняют поры своего полимерного покрытия изопропанолом, покрытие начинает улавливать тепло, а не отдавать его. Это можно исправить, продувая поры воздухом, чтобы высушить их.

Пористая белая краска может использоваться для охлаждения зданий летом; при смачивании спиртом он становится прозрачным и удерживает тепло (слева), что может согревать здания зимой. Фото: Jyotirmoy Mandal

Есть еще одна проблема: материалы достигают переохлаждения только в том случае, если они могут направить свое излучение прямо на холодный радиатор космического пространства.В городских условиях здания, люди и другие объекты могут мешать, поглощая тепло и повторно излучая его. Наиболее эффективные материалы в настоящее время отводят тепло со скоростью около 100 Вт·м –2 . Ган и Ю надеются удвоить это, расположив свои пленки перпендикулярно крыше, чтобы выбросы могли выходить с обеих поверхностей. Но это потребует добавления материалов вокруг пленок, которые могут отражать выбросы в небо.

Исследователи ищут другие способы повысить охлаждающую способность материалов.В октябре прошлого года Эвелин Ван из Массачусетского технологического института в Кембридже и ее коллеги сообщили, что покрытие радиационно-охлаждающей пленки легким изолирующим аэрогелем сделало структуру на 13 °C холоднее, чем ее окружение в полдень в сухой пустыне Атакама в Чили. по сравнению с 1,7  °C без аэрогеля 3 . По ее словам, концепцию аэрогеля можно использовать с другими сверхкрутыми материалами.

Мечты об использовании сверхкрутых материалов для геоинженерии с целью смягчения последствий глобального потепления кажутся далекими и маловероятными с практической точки зрения.В сентябре прошлого года Мандей использовал «приблизительные расчеты», чтобы предположить, что нынешнее повышение температуры можно сбалансировать, покрыв 1–2% земной поверхности существующими материалами, которые производят около 100 Вт·м 90 435 –2 90 436 холодопроизводительности в дневное время 11 . Но поскольку солнечные панели все еще не достигают такого уровня покрытия после десятилетий разработки, кажется невероятным, чтобы эта зарождающаяся технология могла сделать это вовремя, чтобы быть полезной, говорит Марк Лоуренс, климатолог из Института перспективных исследований в области устойчивого развития в Потсдаме. , Германия.Как и в случае любого геоинженерного предложения, Мандей признает возможные непреднамеренные последствия нарушения режима осадков и местного климата, которые, по мнению Юрге-Форзаца, могут быть проблемой.

Тем не менее пассивное радиационное охлаждение может иметь много преимуществ, говорит Раман (см. «Электричество ночью, вода днем»). Например, это может помочь предотвратить потерю эффективности солнечных панелей при повышении температуры. По словам Инь, все процессы производства и преобразования электроэнергии производят отработанное тепло, даже если они используют возобновляемую энергию, а не ископаемое топливо.«Это единственная технология, которая утилизирует все это лишнее тепло и сбрасывает его обратно в космос», — говорит он.

Электричество ночью, вода днем ​​

Материалы, которые выбрасывают тепло Земли в космос, могут иметь неожиданное применение. Например, они могли бы упростить сбор воды из атмосферы в дневное время. Ночью водяной пар конденсируется в росу на поверхностях, которые отдают тепло ясному ночному небу, — эффект, который веками использовался для улавливания воды. Zongfu Yu из Университета Висконсин-Мэдисон и Qiaoqiang Gan из Университета штата Нью-Йорк в Буффало обнаружили, что алюминиевая пленка, покрытая полидиметилсилоксаном, может не только сохранять прохладу, но и усиливать конденсацию воды в течение дня 12 .Пара основала компанию в Буффало под названием Sunny Clean Water, чтобы коммерциализировать устройство.

Разницу температур между суперхолодным материалом и окружающей его средой также можно использовать для выработки электроэнергии ночью — в отличие от солнечных батарей, которые работают только днем. В сентябре прошлого года Аасвату Раману, Шанхуи Фан и Вей Ли из Стэнфордского университета в Калифорнии удалось получить струйку электричества — милливатт на квадратный метр — из такого ночного устройства 13 .Это показывает, что ночью можно производить как минимум достаточно электроэнергии для питания небольшого светодиода. «Это захватывающее доказательство концепции», — говорит Говард Бранц, консультант по технологиям из Боулдера, штат Колорадо. Но электроэнергию от солнечных батарей можно хранить в батареях для генерации гораздо больших потоков электроэнергии, поэтому пока не ясно, будет ли эта идея полезной.

Использование тепловой массы для нагрева и охлаждения

Тепловая масса для комфорта в вашем доме

Эти материалы тяжелые и плотные, а потому имеют большое количество того, что технически называется термической массой.Обычные материалы, используемые для тепловой массы, включают бетон или заполненный бетонный блок, камень или каменную кладку, обычно используемые для полов или стен.

При правильном использовании – нужное количество в нужном месте, с надлежащей внешней изоляцией – термомасса может помочь поддерживать комфортную температуру внутри вашего дома круглый год. Термическая масса будет поглощать солнечное тепло в течение дня и излучать его, когда днем ​​температура падает в течение всего вечера.

Термическая масса снижает комнатную температуру в полдень и ранним днем ​​и повышает комнатную температуру в конце дня и ранним вечером.

Утепление вашего нового дома или реконструкция не должны увеличивать затраты. Деньги, потраченные на ковер, можно было бы, например, потратить на полировку открытого бетонного пола.

Тепловые массы

Вероятно, простейшей формой тепловой массы является пол из бетонных плит. Также можно использовать бетонные блоки, плитку, кирпич, утрамбованную землю и камень. Три фактора определяют, насколько хорошо материал поглощает и сохраняет тепло.

Идеальный материал:

  • плотный и тяжелый, поэтому он может поглощать и сохранять значительное количество тепла (более легкие материалы, такие как дерево, поглощают меньше тепла)
  • достаточно хороший проводник тепла (тепло должно иметь возможность проходить внутрь и наружу)
  • имеет темную поверхность, текстурированную поверхность или и то, и другое (что помогает ему поглощать и повторно излучать тепло).

Материалы с различной термальной массой поглощают разное количество тепла, и для его поглощения и повторного излучения требуется больше (или меньше) времени. Например, кирпичная стена имеет более высокую тепловую массу, чем полая стена с деревянным каркасом, поэтому она будет поглощать больше тепла, чем стена с деревянным каркасом той же толщины.

Когда солнце светит в комнату и воздух теплый, тепло поглощается стенами, полом и другими поверхностями в комнате.

Сколько тепла они могут удерживать, зависит от того, из чего они сделаны и какой толщины.Некоторые материалы могут поглощать много тепла, не сильно нагреваясь. Другие станут довольно теплыми после поглощения небольшого количества тепла. К первым относятся термомассовые материалы. Это означает, что если, например, пол из бетонных плит подвергается воздействию прямых солнечных лучей, он сможет поглощать и накапливать много тепла и медленно его отдавать.

Другой материал, например, деревянный пол, не может поглощать и сохранять столько тепла, поэтому тепло, которое он поглощает, быстро выделяется. В результате большая часть энергии солнечного света быстро попадает в окружающий воздух, повышая температуру в помещении в самые теплые часы дня.

Термическую массу можно сравнить с губкой. Большая часть воды, попадающей на него, будет поглощена. Материал с низкими тепловыми массовыми свойствами будет вести себя как плоская поверхность. Любая вода, попадающая на него, отскакивает и оказывается в воздухе.

Зимой правильно спроектированная тепловая масса будет поглощать тепло солнечного света, падающего на нее в течение дня. Затем, по мере снижения температуры воздуха, тепло будет перемещаться от более теплой тепловой массы к более холодному воздуху и другим поверхностям в помещении.

Летом тепловая масса внутри жилища должна быть защищена от прямых солнечных лучей в течение всего дня и подвергаться воздействию прохладного бриза, чтобы обеспечить некоторое охлаждение в жаркие дни и ночи.

Взаимодействие изоляции, остекления и тепловой массы является сложным и зависит от климата и времени года. По этой причине важно обратиться к эксперту в области проектирования солнечных батарей, например, к дизайнеру, архитектору или строительному специалисту, который специализируется на проектировании пассивных солнечных батарей, чтобы он порекомендовал вам наилучший вариант для вашей ситуации.

Способы экономии энергии

Экономия энергии, природного газа и воды может сэкономить деньги и защитить наши природные ресурсы. Во время Flex Alert энергосбережение имеет решающее значение для снижения нагрузки на сеть.

Советы по энергосбережению в жилых помещениях

См. советы в ESPAÑOL | ТИНГ ВИТ

Отрегулируйте термостат

 
  • Летом, особенно когда вас нет дома, устанавливайте термостат на 78 градусов или выше. Повышение температуры кондиционера на 7–10 градусов на 8 часов в день может сэкономить до 10 процентов на расходах на охлаждение.
  • Зимой уменьшите температуру термостата печи на 3-5 градусов, если позволяет здоровье.
  • Используйте интеллектуальные или программируемые функции термостата, чтобы экономить электроэнергию, когда вас нет дома. Потребители, использующие программируемые термостаты, могут ежегодно экономить до 10 процентов на расходах на отопление и охлаждение.

Окна и двери

  • Держите окна и двери закрытыми, чтобы предотвратить потерю охлажденного или нагретого воздуха.
  • Летними ночами открывайте окна, чтобы впустить более прохладный воздух, когда это безопасно. Утром до того, как день начнет нагреваться, закройте окна и жалюзи, чтобы солнце не нагревало ваш дом.
  • Летом , поднимите жалюзи и закройте шторы и шторы на окнах, на которые попадают прямые солнечные лучи.
  • Зимой , открывайте оконные шторы, чтобы прямые солнечные лучи согревали помещения.

Регулировка температуры с помощью потолочных вентиляторов

  • Летом , использование потолочного вентилятора при включенном кондиционере позволит повысить температуру термостата примерно на 4 градуса и сохранить тот же уровень комфорта.Выключайте потолочные вентиляторы, когда уходите из комнаты. Кроме того, отрегулируйте потолочные вентиляторы, чтобы они вращались против часовой стрелки, чтобы нагнетать холодный воздух вниз.
  • В зимнее время потолочные вентиляторы должны вращаться на низкой скорости по часовой стрелке, чтобы мягко втягивать комнатный воздух вверх и нагнетать теплый воздух вниз.

Интеллектуальное использование энергии 

  • Выключите ненужное освещение и используйте рабочие или настольные лампы со светодиодами вместо потолочного освещения.
  • Включите параметр «управление питанием» на всех компьютерах и отключите его, когда он не используется.
  • Отключайте зарядные устройства для телефонов, разветвители (без выключателя) и другое оборудование, когда оно не используется. По оценкам Министерства энергетики США, вы можете сэкономить 100 долларов в год, отключая устройства, потребляющие энергию, когда они находятся в режиме ожидания.
  • Избегайте зарядки электромобилей и гибридных автомобилей во время оповещения Flex Alert, вместо этого заряжайте их ночью.

Основное использование бытовой техники 

  • Летом , отложите использование нагревательных приборов, таких как духовка, посудомоечная машина, стиральная машина и сушилка, до более прохладного времени дня, чтобы не нагревать дом.
  • Запускайте посудомоечную машину, стиральную машину и сушилку только при полной загрузке. Летом отложите использование этих и других крупных бытовых приборов до или после оповещения Flex Alert.
  • По возможности стирайте одежду в холодной воде. Около 90 процентов энергии, используемой в стиральной машине, уходит на нагрев воды.
  • Рассмотрите возможность вывешивания одежды на улицу для сушки, чтобы сэкономить энергию.

Очистите или замените фильтры

  • Грязный фильтр заставляет ваш кондиционер и печь работать усерднее, тратя деньги и энергию.

Осмотрите свой дом на наличие утечек воздуха

  • Загерметизируйте вентиляционные отверстия, регистры, двери и окна. Обратите особое внимание на соединения, где вентиляционные отверстия и регистры встречаются с полом, стенами и потолком, так как это обычные места для утечек.

Отрегулируйте водонагреватель

  • Убавьте температуру нагревателя воды до 120 градусов или «нормального» значения, когда находитесь дома, и до минимального значения, когда находитесь вдали от дома. На нагрев воды приходится около 13 процентов затрат на электроэнергию в доме.

Отправляйтесь в прохладное место

  • В жаркие дни подумайте о том, чтобы отправиться в прохладное место, например, в общественный бассейн, библиотеку или общественный центр охлаждения. Но прежде чем уйти, не забудьте отрегулировать термостат.

Вспомогательные программы

  • Обратитесь в электроэнергетическую компанию, чтобы получить дополнительные советы по энергосбережению, и узнайте о скидках, которые помогут сократить потребление энергии и ежемесячные расходы за счет дополнительной изоляции, модернизации системы отопления и кондиционирования воздуха или замены насоса в бассейне.
  • Рассмотрите возможность участия в программе реагирования на спрос вашей коммунальной службы. Эти добровольные программы представляют собой краткосрочные временные меры по снижению энергопотребления, когда энергоснабжение критически низкое и было выпущено предупреждение Flex Alert. Свяжитесь с вашей электроэнергетической компанией для получения информации о том, как вы можете участвовать.

Наконечники для офиса

Освещение

  • Выключите ненужное освещение в офисе и по возможности используйте естественное освещение.

Термостат

  • Летом по возможности устанавливайте зональный термостат на 78 градусов или выше.
  • Зимой, если возможно, уменьшите температуру термостата печи на 3-5 градусов.

Предотвращение утечек

  • Проверьте вентиляционные отверстия, чтобы убедиться, что в них нет бумаги и другого мусора.
  • Отрегулировать жалюзи на окнах, на которые попадает прямой солнечный свет: закрыть летом, открыть зимой.
  • Держите окна и двери закрытыми, чтобы предотвратить потерю охлажденного или нагретого воздуха.

Оборудование

  • Выключите все офисное оборудование, которое в данный момент не используется.В качестве альтернативы ищите режимы сна или энергосбережения между использованием в течение дня.

Компьютеры

  • Включите параметры управления питанием на всех компьютерах, чтобы они переходили в спящий режим и выключали экраны, когда они не используются.

Комната отдыха

  • Подключайте электронные устройства, такие как кофеварки и микроволновые печи, к розеткам и выключайте их по окончании рабочего дня.

На конец дня

  • Уходя из офиса, возьмите за привычку проверять, полностью ли выключены компьютеры, принтеры/копировальные устройства и другое офисное оборудование.Если возможно, выключите их на удлинителе, чтобы убедиться, что они больше не расходуют энергию.

Программы сохранения

  • Рассмотрите возможность участия в программе реагирования на спрос вашей коммунальной службы. Эти добровольные программы представляют собой краткосрочные временные меры по снижению энергопотребления, когда энергоснабжение критически низкое и было выпущено предупреждение Flex Alert.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*