Роль физики в экологическом образовании. Тепловое загрязнение окружающей среды: Материалы к лекции

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

РОЛЬ ФИЗИКИ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ.

ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖающей СРЕДЫ

Материалы к лекции

Новокузнецк

2004

УДК 536.7:519.2(07)

Р 60

Рецензент

Доктор технических наук,

профессор кафедры теплофизики, автоматизации и экологии

промышленных печей   ГОУ ВПО «СибГИУ»

К.А.Черепанов

Р60  Роль физики в экологическом образовании. Тепловое загрязнение окружающей среды. Материалы к лекции./ Сост.: Масловская З.А., Дорошенко Н.К., Ерилова Т.В., Громов В.Е.: ГОУ ВПО «СибГИУ».- Новокузнецк, 2004. – 37 с.

Рассматриваются процессы теплообмена (тепловое излучение, теплопроводность,  конвекция) и оценивается их вклад в изменение климата на Земле, а также способы уменьшения отрицательного влияния техногенной деятельности человека на этот процесс.

Работа предназначена для студентов специальности «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» и может быть рекомендована для студентов всех специальностей.

Содержание

Стр.

Обозначения физических величин……………………………… 4

Введение………………………………………………………….. 5

1. Основы теплообмена………………………………………….  6

1.1. Теплопроводность   ………………………………………… 7

1.2. Конвекция……………………………………………………. 9                                          

1.2.1. Конвективный теплообмен при свободном движении

(неограниченное пространство………………………………… 10

1.2.2. Конвективный теплообмен при вынужденном движении и внешнем обтекании…………………………………………… 15

1.3. Лучистый теплообмен……………………………………… 17

2. Изменение климата на планете Земля……………………….. 22

2.1 Тепловое загрязнение окружающей среды………………… 24

2.1.1  Парниковый эффект………………………………………. 24

2.1.2 Истощение озонового слоя……………………………….. 26

3. Изменение климата на Земле – глобальная проблема……... 28

3.1 Прогнозы и последствия изменения климата Земли …….. 29

3.2 Ответ на угрозу изменения климата……………………….. 31

Заключение………………………………………………………. 35

Список литературы……………………………………………… 35                                                                          

Обозначения физических величин

k - коэффициент теплопередачи,

λ   - коэффициент теплопроводности,

α - коэффициент теплоотдачи,

a  - коэффициент температуропроводности,

ρ - плотность вещества,

c_V -  удельная теплоемкость при постоянном объеме,

c_P - удельная теплоемкость при постоянном давлении,

g -  ускорение свободного падения,

ν  -  коэффициент кинематической вязкости,

μ  - коэффициент динамической вязкости,

η - коэффициент внутреннего трения,

β - коэффициент объемного расширения,

u- скорость течения газа или жидкости,

I - интенсивность излучения,

Ф - поток излучения,

j  -  удельный тепловой поток.

Введение

«Природа требует воспроизводства.

В обращении с планетой нужны глубокие

знания и мудрая осторожность. Они - символ экологии».

                           Н.Ф.Реймес.

Жизнь – высшая форма организации материи. Живое вещество способно существовать только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь организма. Ее нужно рассматривать как процесс непрерывного извлечения некоторой экологической системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания ее при передаче от одного пищевого звена другому. Живые существа способны использовать только два вида энергии: энергию излучения Солнца и химическую энергию связи соединений, содержащихся в пище. Живой организм- это открытая система. Он потребляет из окружающей среды энергию и вещества и использует их для жизненно важных реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме. В случае гибели организма вся его энергия полностью превращается в тепловую форму и рассеивается. Если бы поток солнечной энергии только рассеивался и не передавался телам, жизнь на Земле была бы невозможна.

Организмы, которые живут на поверхности Земли или вблизи нее, воспринимают поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от соседних тел [1]. Солнечная радиация поддерживает тепловой баланс Земли, обеспечивает водный обмен организмов, создание и превращение органического вещества, составляя 99,8% в общем балансе энергии планеты. На верхнюю границу биосферы в 1 минуту падает 8,3 Дж/см² солнечного излучения. Около 19% этой энергии поглощается при прохождении через атмосферу, 34% отражается обратно в космическое пространство и лишь 47% достигает Земли. Температура окружающей среды определят температуру организмов. Она оказывает влияние на скорость и характер протекания всех химических реакций, определяющих обмен веществ.

Среди космических факторов, влияющих на климат Земли, нужно отметить в первую очередь солнечную активность. Глобальные причины изменения климата связаны с тепловым равновесием планеты [2]. Радиационную температуру Земли можно определить по формуле:

                                          (1)

где R_C  – радиус Солнца,  T_C   – температура Солнца,

α – среднее расстояние от Солнца,

А[1]– альбедо Земли, определяет  отражательную способность.

Установлено, что увеличение солнечной активности повышало температуру на Земле. По-видимому, это связано с тем, что атмосфера того далекого времени позволяла проникать до поверхности Земли ультрафиолетовому излучению Солнца, так как тогда еще растения не начали производить кислород и насыщать им атмосферу. Исследования показали, что за последние 700 млн. лет солнечная активность почти не изменилась.

1. Основы теплообмена

Различают следующие виды теплообмена: теплопроводность, конвекцию, лучистый теплообмен или тепловое излучение.

Теплообменом называется процесс необратимого самопроизвольного обмена внутренними энергиями между соприкасающимися телами. Он обусловлен градиентом температуры и не сопровождается макроскопической работой. Энергия, переданная телу от окружающей среды при теплообмене, называется теплом.

Теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твердого тела и соприкасающейся с ней средой (жидкостью или газом).

Теплопередача – это теплообмен между двумя теплоносителями через поверхность раздела между ними. Она включает в себя теплоотдачу от более нагретой среды к стенке