Constanta solara
Prezentare/eseu (școală) 2001 10 pagini
Citirea eșantionului
Structura:
1. Constanta solara si solara
2. Diferite metode pentru determinarea constantei solare
2. 1. Exemplu de experiment 1 - Experiment cu mână liberă
2. 2. Exemplul de experiment 2 - determinarea constantei solare
2. 2. Exemplul de experiment 3 - măsurarea constantei solare
Al 3-lea experiment - determinarea constantei solare
3. 1. Sarcină
3. 2. Previzualizare
3. 3. Implementare
3. 4. Tabelele de valori măsurate
3. 5. Evaluare
3. 6. Considerarea erorilor
1. Constanta solara si solara
Energia pe care soarele o radiază în fiecare oră, în fiecare zi - pe care o emite constant, nu este doar de interes astronomic, deoarece această radiație determină viața pe pământ. Viața pe planeta noastră nu ar fi posibilă fără soarele ca sursă de energie. În prezent, ceea ce soarele a strălucit în trecut este folosit ca sursă de energie: țiței, gaze naturale, lemn și cărbune.
Ceea ce este radiat de la soare este destul de dificil de măsurat de la suprafața pământului, deoarece atmosfera pământului absoarbe o parte considerabilă a radiației, chiar și în intervalul vizibil, chiar și în cele mai senine zile din munții înalți. În plus, atmosfera terestră este complet impermeabilă la radiațiile ultraviolete și infraroșii din zone întinse. Chiar și cu cea mai atentă corectare a acestor efecte, măsurătorile de pe suprafața pământului sunt afectate de erori care depășesc limita de un procent. Cu câteva decenii în urmă, rezultatele măsurătorilor difereau cu până la cinci procente și, uneori, chiar dacă numai în cazuri rare, incertitudinile măsurătorii erau raportate ca fluctuații adevărate ale radiației solare.
În timp ce astăzi energia radiată este dată în wați pe metru pătrat, unitatea de calorii pe centimetru pătrat și minut era obișnuită. Ambele unități pot fi ușor îmbinate între ele. Caloria este o cantitate descriptivă: indică cantitatea de căldură care încălzește un gram de apă cu un grad. Unitatea de energie valabilă astăzi este un joule, unitatea de putere - adică Energie pe timp - un watt.
Definiția exactă a constantei solare de astăzi este: Constanta solară este fluxul de energie emanat de soare, care în fiecare secundă pătrunde într-o unitate de suprafață (1 m²) orientată perpendicular pe direcția radiației la o distanță de 1 UA de soare.
În consecință, adevărata constantă solară poate fi măsurată numai de pe pământ.
Măsurătorile mai recente ale puterii radiației solare au fost efectuate de la sateliți. O serie mai lungă de măsurători, efectuate la bordul misiunii solare maxime (SMM) la începutul anilor 1980, a arătat constanta solară (la nivelul mării) S = 1.367 wați pe metru pătrat - transformată în unitatea mai veche: 1,96 calorii pe centimetru pătrat și minut. Aceasta corespunde funcționării continue a unei plite fierbinți pe aragaz sau un fier de călcat.
Cu toate acestea, această valoare fluctuează deja pe pământ, la o altitudine de 3.400 m, constanta solară este, de exemplu, 1,6 kW/m², deoarece atmosfera devine din ce în ce mai subțire și, prin urmare, absorbția devine din ce în ce mai mică. În afara atmosferei terestre pe orbită lângă pământ, este chiar 1,9 kW/m².
O întrebare interesantă apare în acest context: Câți metri pătrați de spațiu ar avea nevoie fiecare cetățean pentru a-și acoperi toate nevoile de energie? Statisticile pentru 1992 arată un consum total de 409 milioane de tone de unități de cărbune tare în vestul Germaniei. Adică 6,3 tone de SKE per locuitor sau echivalentul a 51,400 kilowați-oră pe locuitor pe an. Valoarea a 50.000 de kilowați-oră depășește cu mult suma care apare pe factura de electricitate a gospodăriei, deoarece include tot consumul de energie industrială. Inclusiv, în cele aproape 8.800 de ore ale anului, puterea necesară care ar trebui furnizată fiecărui cetățean pe secundă este de 5,9 kilowați. Soarele furnizează 1,4 kilowați pe metru pătrat, astfel încât fiecare cetățean ar avea nevoie de o suprafață de 4,3 metri pătrați pentru consumul de energie. Chiar și în Germania dens populată, cu peste 250 de locuitori pe kilometru pătrat, fiecare cetățean are 3.800 de metri pătrați disponibili, adică o suprafață de aproape 1.000 de ori mai mare decât cea necesară pentru consumul de energie.
Desigur, aceste numere sunt supraestimate, deoarece energia este folosită și de natura non-umană; ziua a fost presupusă a fi de 24 de ore; nu s-a luat în calcul faptul că o anumită energie este absorbită în atmosferă. Cu toate acestea, estimarea poate arăta că energia radiată de la soare este de departe suficientă pentru a satisface pentru totdeauna toate nevoile umane. Doar o mică parte din spațiul disponibil ar fi necesară pentru a configura suprafețe de recepție pentru conversia energiei solare în forme comune de energie. Utilizarea energiei solare va fi o provocare pentru un viitor nu prea îndepărtat, deoarece sursele de energie fosilă sunt limitate, iar energia nucleară s-a dovedit a fi problematică. Cu toate acestea, metodele ecologice și regenerative de generare a energiei din soare, energie solară termică și fotovoltaică, nu sunt încă adecvate pentru acoperirea consumului nostru de energie. Eficiența lor este prea mică, iar consumul de spațiu rezultat este prea mare
Poate că într-o zi vom avea acces la metoda de producere a energiei pe care soarele o folosește pentru a produce cantități atât de mari de energie, fuziunea nucleară. Cercetătorii presupun că prima centrală de fuziune nucleară de pe pământ va intra online în aproximativ 30 de ani.
Dar cât de constantă este constanta solară, adică energia care ne este radiată în mod constant? De-a lungul săptămânilor și lunilor, fluctuațiile sunt mai mici de una la mia.
Fluctuații mai mari pe termen scurt de câteva la mia pot fi atribuite apariției crescute a petelor solare. Efectele pe termen lung nu pot fi dovedite cu certitudine. Pot exista modificări minore de aproximativ 0,1% în cadrul unui ciclu al petelor solare. În contextul preciziei de măsurare foarte ridicate de astăzi, se poate presupune că constanta solară este o constantă reală, cu condiția ca efectele evoluției stelare în intervalul de milioane sau chiar miliarde de ani să fie ignorate.
2. Diferite metode pentru determinarea constantei solare
Toate experimentele enumerate aici urmează practic una și aceeași schemă. Un corp este încălzit sau încălzit de radiația solară, această încălzire este măsurată și constanta solară este calculată din energia necesară încălzirii. Desigur, valoarea exactă a constantei solare nu poate fi determinată în niciunul dintre experimentele următoare. Sursele de eroare sunt prea grave pentru asta.
2. 1. Exemplul 1 - Experiment cu mână liberă pentru a determina constanta solară
Primul exemplu experimental, pe care vreau să-l adaug aici, nu este un experiment cu ajutorul căruia constanta solară poate fi determinată cu precizie, ci mai degrabă un experiment în care, așa cum nu este obișnuit în fizică, depinde de simțire și ghicire. Dar poate fi realizat cu foarte puține resurse.
Ai nevoie de o persoană de test, un bec și o riglă de centimetri. În plus, desigur, soarele trebuie să strălucească, vântul mic ar fi, de asemenea, benefic.
Implementare: Persoana testată are voie să strălucească soarele pe un obraz. Celălalt este iluminat cu becul. Lampa este utilizată pentru a se apropia de obrazul gol până când persoana testată crede că ambii obraji sunt încălziți în mod egal. Ar trebui să țină ochii închiși în timp ce face acest lucru.
Acum măsurați distanța r de la centrul lămpii la obraz și citiți puterea P a lămpii incandescente.
Acum este momentul să calculăm. Să presupunem că s-a citit o lampă P de putere = 60 W și că s-a măsurat o rază r = 7 cm. Lampa va iradia apoi obrazul de la o distanță de 7 cm la fel de puternic ca soarele de la 150.000.000 km distanță. Și-ar distribui puterea uniform în zona unei sfere cu raza r = 7 cm, pe care o imaginăm în jurul lămpii (obrazul subiectului este o bucată din această zonă sferică). Această sferă are suprafața
O lampă = 4 x p x r² = 4 x 3,14 x (7 cm) ² = 615 cm².
Deoarece ambii obraji erau încălziți în mod egal, soarele ar fi trimis, de asemenea, 60 de wați la aproximativ 0,0615 m² de suprafață de colectare.
Acum puteți utiliza măsurătorile pentru a calcula câtă putere strălucește soarele pe un metru pătrat din suprafața pământului.
Lampă P: O lampă = P soare: 1 m²
După inserarea valorilor de exemplu și schimbarea ecuației în funcție de P soare, veți obține o valoare pentru puterea soarelui, care indică și constanta solară, deoarece s-a calculat puterea pe metru pătrat, de 976 W/m² (pentru valorile de exemplu selectate aici).
2. 2. Exemplul 2 - Determinarea constantei solare
Pentru al doilea exemplu experimental, aveți nevoie de echipamente semnificativ mai multe și mai specializate decât pentru primul. Dar acest experiment este și mai științific și oferă valori mai precise.
Aveți nevoie de o placă electrică înnegrită, o sursă de tensiune și un dispozitiv de măsurare a tensiunii și unul pentru curent.
Implementarea experimentului este împărțită în două încercări:
Experimentul 1: Placa înnegrită este orientată perpendicular pe radiația solară incidentă. Se măsoară temperatura în creștere inițială a plitei și se înregistrează temperatura de echilibru T, care este stabilită în cele din urmă.
Experimentul 2: Acum placa este încălzită electric fără expunere la lumina soarelui. Tensiunea este setată astfel încât să se stabilească aceeași temperatură T ca înainte în timpul iradierii solare. Odată realizat acest lucru, tensiunea și curentul sunt citite de pe dispozitivele de măsurare.
Produsul tensiunii și puterii curentului dă puterea electrică P, care este exact aceeași cu puterea care a provocat încălzirea plăcii prin radiația solară. Dacă se cunoaște zona A a plitei, constanta solară S - cu o abatere datorată influenței atmosferei terestre - se obține din S = P: A.
Desigur, și în acest experiment, se măsoară o valoare pentru constanta solară care este sub puterea reală a soarelui. Acest lucru poate fi explicat din nou prin absorbția atmosferică, care absoarbe o parte din energie. Dar vântul poate avea, de asemenea, un efect perturbator asupra experimentului, deoarece transportă energia termică departe de plita.
2. 3. Exemplul de experiment 3 - măsurarea constantei solare
Această încercare poate fi găsită în multe cărți de astronomie și fizică. Este proiectat în așa fel încât să poată fi realizat în clasă fără probleme.
Pentru acest experiment aveți nevoie de un balon Erlenmeyer umplut cu apă sau de un vas similar și aveți nevoie și de un termometru lichid.
Înainte ca experimentul să poată fi realizat, trebuie făcute unele pregătiri. Mai întâi se determină masa balonului Erlenmeyer, acest lucru este necesar pentru evaluare. Apoi, este necesar să se determine volumul cantității de apă cu care este umplut balonul. În cele din urmă, fundul balonului Erlenmeyer este înnegrit cu o flacără sau ceva similar și se calculează aria sa.
De realizat: Balonul Erlenmeyer umplut cu apă în care este scufundat termometrul este aliniat cu fundul înnegrit perpendicular pe radiația solară incidentă. Radiația de intrare este aproape complet absorbită de zona neagră A și duce la una din durata experimentului? creșterea temperaturii dependente? T de apă și balon. Prin urmare, energia totală a radiației S care ajunge în timp? T trebuie să fie măsurabilă ca o creștere a energiei termice a apei și a balonului:
unde capacitățile de căldură C ale aranjamentului rezultă din capacitățile de căldură specifice și masele de apă și sticlă:
C = c w m w + c gl m gl.
Prin urmare, constanta solară poate fi calculată folosind următoarea formulă:
S = (C? T)/(A? T)
Testele efectuate în acest mod duc la valori de aproximativ 1.000 W/m² pentru S.
Și aici trebuie luat în considerare faptul că o parte din radiația solară este absorbită în atmosferă și pierderile de energie apar atunci când experimentul este efectuat și experimentul este configurat, astfel încât valoarea reală a constantei solare trebuie să fie setată mai mare.
Al 3-lea experiment - determinarea constantei solare
3. 1. Sarcină
Sarcina a fost de a măsura constanta solară cât mai exact posibil cu dispozitivul construit de domnul Klix în cursul lucrărilor anuale de astronomie.
3. 2. Previzualizare
În primul rând, voi descrie modul în care este construit dispozitivul și ce trebuie luat în considerare înainte de măsurători.
Dispozitivul constă dintr-un cadru din lemn care este proiectat să fie mobil astfel încât să poată fi orientat perpendicular pe radiația solară. Pe acest cadru se află un cilindru din plastic în care se află un cilindru din aluminiu, bine protejat împotriva pierderii de căldură prin polistiren, este negru, astfel încât să poată absorbi o mare parte din energia radiantă. Un termometru cu mercur cu o scală foarte precisă îi măsoară temperatura. Înainte de măsurători, se dă puțină apă prin deschiderea termometrului; servește ca o legătură termică între aluminiu și termometru. Suprafața frontală a cilindrului de plastic este mascată cu un film reflectorizant pentru a reflecta radiația solară care strălucește în zona din afara zonei negre.
Înainte de a putea începe măsurătorile, trebuie făcute unele pregătiri. Mai întâi trebuie determinate masa și capacitatea specifică de căldură a cilindrului de aluminiu. Acesta din urmă poate fi găsit în fiecare tabel și este: cAl = 0,9 kJ/(kg · K) -1. Întrucât lipseau informații precise privind structura dispozitivului, determinarea masei cilindrului de aluminiu era plină de probleme și de inexactitățile rezultate. După determinarea volumului, s-a calculat o masă mAl 116 g. Apoi, a fost determinată zona neagră A cu o suprafață de A = 10 cm² (convertită pentru alte calcule: A = 0,0010 m²).
În plus față de dispozitivul de măsurare, este necesar un ceas pentru a măsura diferența de timp t.
3. 3. Implementare
Înainte de fiecare măsurare, puțină apă (așa cum este descris mai sus) este turnată în dispozitiv. Așteptați câteva minute până când temperatura de pornire T0 s-a setat. Apoi dispozitivul este aliniat perpendicular pe radiația solară și ceasul este pornit. Dacă termometrul arată o creștere a temperaturii de un grad, aceasta va fi diferența de timp? t a stabilit. Apoi dispozitivul este aliniat perpendicular pe radiația solară și ceasul este pornit. Când termometrul arată o creștere a temperaturii
3. 4. Tabelul valorilor măsurate
Figura nu este inclusă în acest extract
Valorile calculate ale constantei solare sunt deja inserate în tabel pentru o mai bună imagine de ansamblu (pentru calcul vezi evaluarea).
3. 5. Evaluare
Energia radiației de intrare este absorbită de zona neagră A și duce la o creștere a temperaturii? T de aluminiu în diferența de timp?.
Prin urmare, constanta solară poate fi determinată folosind următoarea formulă:
S = (mAl cAl? T): (A? T)
Valorile pentru suprafața A a zonei negre, masa mAl a cilindrului de aluminiu și capacitatea de căldură cAl a aluminiului sunt cunoscute din previzualizare și valorile rămase pentru temperatura inițială T0, diferența de timp? T și diferența de temperatură? T pot fi preluate din tabelul valorilor măsurate. In care ? T este diferența dintre temperatura momentului T și temperatura inițială T0.
Constanta solară medie SØ, determinată din toate valorile pentru S, este SØ =
1.030 W/m², mult mai mult este greu de măsurat de pe Pământ și, prin urmare, aceasta este o valoare acceptabilă.
3. 6. Considerarea erorilor
Sursele de eroare din acest experiment sunt diverse, cum ar fi: disiparea căldurii prin vânt, absorbția atmosferică și masa imprecisă a corpului de aluminiu sunt unele dintre ele. Cât de puternică este disiparea căldurii prin intermediul vântului se poate observa într-un mic exemplu: Când faceți plajă, când soarele strălucește puternic, veți avea în curând o senzație de căldură pe piele, dar de îndată ce răsare puțin vânt, această senzație dispare foarte repede. Deoarece aluminiul este un bun conductor de căldură, eliberează energie termică la fel de repede pe cât îl absoarbe.
În plus, dispozitivul a scăpat și a pierdut apă, ceea ce înseamnă pierderi suplimentare de căldură.
Cel mai durabil efect asupra experimentului este că dimensiunile exacte ale miezului dispozitivului, cilindrul de aluminiu, nu erau cunoscute.
Seria Beck´sche Wolfgang Mättig - Manualul soarelui - curs de bază în astronomie