ΥΟΛΗ ΘΔΣΙΚΧΝ ΔΠΙΣΗΜΧΝ ΚΑΙ ΣΔΥΝΟΛΟΓΙΑ
ΜΔΣΑΠΣΤΥΙΑΚΗ ΔΙΓΙΚΔΤΗ ΚΑΘΗΓΗΣΧΝ ΦΤΙΚΧΝ ΔΠΙΣΗΜΧΝ
ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ
«ΘΔΡΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΔΝΑ ΚΑΙ ΡΔΤΜΑΣΑ ΡΟΗ Δ ΑΣΙΚΟ ΠΔΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΜΔ ΣΟ
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Energy2D»
ΧΣΗΡΙΟ ΜΠΙΛΙΑΝΟ
ΔΠΙΒΛΔΠΧΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ : ΥΑΡΙΣΧΝ ΠΟΛΑΣΟΓΛΟΤ
ΚΑΘΗΓΗΣΗ Α.Π.Θ.
ΠΑΣΡΑ, ΔΠΣΔΜΒΡΙΟ 2018
Η παξνύζα εξγαζία απνηειεί πλεπκαηηθή ηδηνθηεζία ηνπ θνηηεηή («ζπγγξαθέαο/δεκηνπξγόο») πνπ ηελ εθπόλεζε. ην πιαίζην ηεο πνιηηηθήο αλνηθηήο πξόζβαζεο ν ζπγγξαθέαο/δεκηνπξγόο εθρσξεί ζην ΔΑΠ, κε απνθιεηζηηθή άδεηα ρξήζεο ηνπ δηθαηώκαηνο αλαπαξαγσγήο, πξνζαξκνγήο, δεκόζηνπ δαλεηζκνύ, παξνπζίαζεο ζην θνηλό θαη ςεθηαθήο δηάρπζήο ηνπο δηεζλώο, ζε ειεθηξνληθή κνξθή θαη ζε νπνηνδήπνηε κέζν, γηα δηδαθηηθνύο θαη εξεπλεηηθνύο ζθνπνύο, άλεπ αληαιιάγκαηνο θαη γηα όιν ην ρξόλν δηάξθεηαο ησλ δηθαησκάησλ πλεπκαηηθήο ηδηνθηεζίαο. Η αλνηθηή πξόζβαζε ζην πιήξεο θείκελν γηα κειέηε θαη αλάγλσζε δελ ζεκαίλεη θαζ’
νηνλδήπνηε ηξόπν παξαρώξεζε δηθαησκάησλ δηαλνεηηθήο ηδηνθηεζίαο ηνπ ζπγγξαθέα/δεκηνπξγνύ νύηε επηηξέπεη ηελ αλαπαξαγσγή, αλαδεκνζίεπζε, αληηγξαθή, απνζήθεπζε, πώιεζε, εκπνξηθή ρξήζε, κεηάδνζε, δηαλνκή, έθδνζε, εθηέιεζε, «κεηαθόξησζε» (downloading), «αλάξηεζε» (uploading), κεηάθξαζε, ηξνπνπνίεζε κε νπνηνλδήπνηε ηξόπν, ηκεκαηηθά ή πεξηιεπηηθά ηεο εξγαζίαο, ρσξίο ηε ξεηή πξνεγνύκελε έγγξαθε ζπλαίλεζε ηνπ ζπγγξαθέα/δεκηνπξγνύ. Ο ζπγγξαθέαο/δεκηνπξγόο δηαηεξεί ην ζύλνιν ησλ εζηθώλ θαη πεξηνπζηαθώλ ηνπ δηθαησκάησλ.
«ΘΔΡΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΔΝΑ ΚΑΙ ΡΔΤΜΑΣΑ ΡΟΗ Δ ΑΣΙΚΟ ΠΔΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΜΔ ΣΟ
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Energy2D»
ΧΣΗΡΙΟ ΜΠΙΛΙΑΝΟ
ΔΠΙΣΡΟΠΗ ΔΠΙΒΛΔΦΗ ΓΙΠΛΧΜΑΣΙΚΗ ΔΡΓΑΙΑ
ΔΠΙΒΛΔΠΧΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ : ΤΝ-ΔΠΙΒΛΔΠΧΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ:
ΥΑΡΙΣΧΝ ΠΟΛΑΣΟΓΛΟΤ ΑΝΣΧΝΙΟ ΛΔΙΟ
ΚΑΘΗΓΗΣΗ Α.Π.Θ. ΔΠΙΚΟΤΡΟ
ΚΑΘΗΓΗΣΗ Δ.Α.Π.
ΠΑΣΡΑ, ΔΠΣΔΜΒΡΙΟ 2018
Γηπισκαηηθή Δξγαζία iv
ΧΣΗΡΙΟ ΜΠΙΛΙΑΝΟ, ΘΔΡΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΔΝΑ ΚΑΙ ΡΔΤΜΑΣΑ ΡΟΗ Δ ΑΣΙΚΟ ΠΔΡΙΒΑΛΛΟΝ ΚΑΙ ΠΡΟΟΜΟΙΧΗ ΜΔ ΣΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Energy2D
ην ζεκείν απηό νθείισ λα επραξηζηήζσ ζεξκά ηνλ επηβιέπνληα Καζεγεηή ηεο δηπισκαηηθήο κνπ εξγαζίαο, Καζεγεηή Α.Π.Θ., θύξην Υαξίησλ Πνιάηνγινπ γηα ηε ζπλνιηθή αξσγή ηνπ θαηά ηελ πεξίνδν εθπόλεζεο ηεο ελ ιόγσ δηπισκαηηθήο εξγαζίαο, ηηο πνιύηηκεο ζπκβνπιέο θαη ηελ θαζνδήγεζε πνπ πξνζέθεξε.
Σέινο, ζα ήζεια λα επραξηζηήζσ ηελ νηθνγέλεηά κνπ γηα ηελ πνιύηηκε ππνζηήξημή ηνπο.
Γηπισκαηηθή Δξγαζία v
Πεξίιεςε
Η δηπισκαηηθή εξγαζία εθπνλήζεθε ζην πιαίζην ηνπ Πξνγξάκκαηνο πνπδώλ Μεηαπηπρηαθήο Δηδίθεπζεο Καζεγεηώλ Φπζηθώλ Δπηζηήκσλ ηνπ Διιεληθνύ Αλνηθηνύ Παλεπηζηήκηνπ. Αληηθείκελν ηεο απνηέιεζε ε κειέηε θαη αλάιπζε ησλ ζεξκηθώλ θαηλνκέλσλ θαη ησλ ξεπκάησλ ξνήο ζην αζηηθό πεξηβάιινλ αιιά θαη ε πξνζνκνίσζε ηνπο κε ηελ ρξήζε ηνπ πξνγξάκκαηνο Energy2D.
Σν θεθάιαην 1 απνηειεί ηελ εηζαγσγή ηεο παξνύζαο εξγαζίαο κε επηγξακκαηηθέο αλαθνξέο ζην πεξηερόκελν ηεο.
ην θεθάιαην 2 γίλεηαη αλαθνξά ζηα ζεξκηθά θαηλόκελα θαζώο θαη ζηνπο ηξόπνπο κεηάδνζεο ηεο ζεξκόηεηαο.
ην θεθάιαην 3 αλαιύεηαη ε έλλνηα ηνπ ελεξγεηαθνύ ζρεδηαζκνύ ησλ θηηξίσλ, νη ελεξγεηαθέο αλάγθεο ησλ θηηξίσλ θαζώο θαη νη όξνη βηνθιηκαηηθόο ζρεδηαζκόο θηηξίσλ, παζεηηθά ειηαθά ζπζηήκαηα θαη ζεξκηθό ηζνδύγην θηηξίνπ.
ην θεθάιαην 4 αλαιύνληαη ηα αηκνζθαηξηθά θαηλόκελα ηεο αζηηθήο ζεξκηθήο λεζίδαο θαη ηεο αζηηθήο νδηθήο ραξάδξαο πνπ ραξαθηεξίδνπλ ην ζύγρξνλν αζηηθό πεξηβάιινλ.
ην θεθάιαην 5 παξνπζηάδεηαη ε έλλνηα ηεο ζεξκηθήο άλεζεο, νη παξάγνληεο πνπ ηελ επεξεάδνπλ θαζώο θαη νη κέζνδνη αμηνιόγεζήο ηεο.
ην θεθάιαην 6 γίλεηαη ε πξνζνκνίσζε ζεξκηθώλ θαηλνκέλσλ κε ηε ρξήζε ηνπ πξνγξάκκαηνο Energy2D θαζώο θαη ε παξνπζίαζε θαη ε αλάιπζε ησλ δεδνκέλσλ πνπ πεγάδνπλ από απηήλ.
ην θεθάιαην 7 παξνπζηάδνληαη ηα ζπκπεξάζκαηα ηεο παξνύζαο εξγαζίαο θαη ε αλαγθαηόηεηα πνπ πξνθύπηεη γηα ηελ βειηίσζε ηνπ αζηηθνύ πεξηβάιινληνο.
Σέινο, θαηαγξάθεηαη ε βηβιηνγξαθία πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε .
Λέμεηο – Κιεηδηά
Θεξκηθά θαηλόκελα, ξεύκαηα ξνήο, αζηηθό πεξηβάιινλ, Energy2D
Γηπισκαηηθή Δξγαζία vi
Abstract
This dissertation was developed in the framework of the Postgraduate Program “Master's in Teaching Natural Sciences MSc” at the Hellenic Open University. Its object was the study and analysis of the thermal phenomena and flow streams in the urban environment as well as their simulation using the Energy2D program.
Chapter 1 is the introduction of the dissertation with outline references to its content.
Chapter 2 refers to thermal phenomena as well as to heat transmission modes.
Chapter 3 analyzes the concept of energy design of buildings, the energy needs of buildings as well as the terms bioclimatic design of buildings, passive solar systems and thermal building balance.
Chapter 4 analyzes the atmospheric phenomena of the urban heat island and the street canyon that characterize the modern urban environment.
Chapter 5 presents the concept of thermal comfort, the factors that influence it and its evaluation methods.
Chapter 6 introduces and analyzes the data derived from Energy2D using heat energy simulation.
Chapter 7 presents the conclusions of this dissertation and the need for improving the urban environment.
Finally, the literature used is recorded.
Keywords
Thermal phenomena, flow streams, urban environment, Energy2D
Γηπισκαηηθή Δξγαζία vii
Πεξηερόκελα
Πεξίιεςε ... v
Abstract ... vi
Πεξηερόκελα ... vii
Καηάινγνο ρεκάησλ ... viii
πληνκνγξαθίεο & Αθξσλύκηα ... x
1.Δηζαγσγή ... 1
2. Θεξκηθά θαηλόκελα ... 2
2.1 Γηάδνζε ηεο ζεξκόηεηαο ... 4
2.1.1 Αγσγή ... 4
2.1.2 Μεηαθνξά ... 7
2.1.3 Αθηηλνβνιία ... 10
3. Δλεξγεηαθόο ζρεδηαζκόο θηηξίσλ ... 17
3.1 Δλεξγεηαθέο αλάγθεο θηηξίσλ ... 17
3.2 Βηνθιηκαηηθόο ζρεδηαζκόο θηηξίσλ ... 19
3.3 Παζεηηθά ειηαθά ζπζηήκαηα ... 21
3.5 Θεξκηθό ηζνδύγην θηηξίνπ ... 24
4. Αζηηθά θαηλόκελα ... 28
4.1 Αζηηθή ζεξκηθή λεζίδα ... 28
4.2 Αζηηθή νδηθή ραξάδξα ... 37
5.Θεξκηθή Άλεζε ... 47
5.1 Θεξκηθή άλεζε ζε όξνπο αλζξώπηλεο θπζηνινγίαο ... 50
5.2Παξάγνληεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 53
5.2.1 Πεξηβαιινληηθνί παξάγνληεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 54
5.2.2 Πξνζσπηθνί παξάγνληεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 56
5.2.3 Σνπηθή ζεξκηθή δπζθνξία ... 57
5.3 Μέζνδνη αμηνιόγεζεο ηεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 58
5.3.1 Θεξκηθνί δείθηεο ... 58
5.3.2 Γηαγξάκκαηα ζεξκηθήο άλεζεο ... 59
5.3.3 Οη δείθηεο PMV – PPD ... 61
6. Πξνζνκνίσζε ζεξκηθώλ θαηλνκέλσλ ... 64
6.1 Μεηαθνξά ζεξκόηεηαο κε αγσγή ... 65
6.2 Πξνζνκνίσζε πεξηβάιινληνο κε δέληξα ... 66
6.3 Πξνζνκνίσζε θηηξίνπ ... 68
7. πκπεξάζκαηα ... 71
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 77
Γηπισκαηηθή Δξγαζία viii
Καηάινγνο ρεκάησλ
ρήκα 1. Μόληκε ξνή ζεξκόηεηαο ιόγσ αγσγήο ζε νκνγελή ξάβδν (Young, 1992) ... 7
ρήκα 2. Ρεύκαηα κεηαθνξάο πνπ ζρεκαηίδνληαη από ηελ άληζε ζέξκαλζε. ... 10
ρήκα 3. ηαλ θνπλάκε ην ζθνηλί εληνλόηεξα ζρεκαηίδνληαη θύκαηα κε κηθξόηεξν κήθνο θύκαηνο (Hewitt, 1997)... 13
ρήκα 4. Πνζνζηά θαηαλάισζεο ελέξγεηαο αλά θιάδν ζε ρώξεο ηεο Δπξσπατθήο Έλσζεο (Αμαξιή). ... 17
ρήκα 5. Καηαλάισζε πξσηνγελνύο ελέξγεηαο ζηελ Διιάδα (Αμαξιή). ... 19
ρήκα 6. πζηήκαηα θπζηθνύ δξνζηζκνύ (Λάδαξε, 2002)... 23
ρήκα 7. πζηήκαηα θπζηθνύ θσηηζκνύ (Λάδαξε, 2002) ... 24
ρήκα 8. Θεξκνθξαζίεο αέξα εκέξαο θαη λύρηαο – Αζηηθή Θεξκηθή Νεζίδα (Σδάβαιε, 2015) ... 31
ρήκα 9. Δπηθάλεηεο θαη εμαηκηζνδηαπλνή ... 33
ρήκα 10.Οδηθή ραξάδξα (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 38
ρήκα 11. Σα γεσκεηξηθά ραξαθηεξηζηηθά ηεο νδηθήο ραξάδξαο (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 39
ρήκα 12.Fish – eye, θσηνγξαθία από αζηηθή νδηθή ραξάδξα πνπ απεηθνλίδεη ηε ηηκή ηνπ δείθηε SVF ... 40
ρήκα 13. Σν αζηηθό νξηαθό ζηξώκα θαη ηα ππνζηξώκαηά ηνπ (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 42
ρήκα 14. Βξόρνο αλαθπθινθνξίαο γηα H/W = 1 (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 43
ρήκα 15. Δίδε ξνώλ αλάινγα κε ηνλ ιόγν επηκήθνπο (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 44
ρήκα 16. Γξακκέο ξνήο γηα δηάθνξνπο ιόγνπο H/W (Κνπηζνπξάθεο, 2010) ... 45
ρήκα 17. ύγθξηζε ξνήο ζπκκεηξηθώλ θαη αζύκκεηξσλ νδηθώλ ραξαδξώλ. ... 45
ρήκα 18. Ρνή ζε ραξάδξα ρσξίο (α) θαη κε (β) ζεξκηθέο επηδξάζεηο ζηελ πξνζήλεκε κεξηά ... 46
ρήκα 19.Παξαγσγή ζεξκόηεηαο από ην άηνκν θαη αληαιιαγή ζεξκόηεηαο ηνπ αλζξώπηλνπ ζώκαηνο κε ην πεξηβάιινλ γηα ηε δηαηήξεζε ηνπ ζεξκηθνύ ηζνδπγίνπ ηνπ αηόκνπ ... 49
ρήκα 20. Πξνζνκνίσζε ηνπ αλζξώπηλνπ ζώκαηνο ζαλ ζεξκηθή κεραλή ... 51
ρήκα 21.Μεραληζκνί απηνξξύζκηζεο ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ νξγαληζκνύ. ... 52
ρήκα 22.Πσο απνβάιιεη θαη δέρεηαη ζεξκόηεηα ν άλζξσπνο ... 53
ρήκα 23. Βαζηθνί παξάγνληεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 54
ρήκα 24. Πίλαθαο άλεζεο. Σηκέο ζεξκνθξαζίαο θαη πγξαζίαο γηα ηδαληθέο ζπλζήθεο ζεξκηθήο άλεζεο ... 56
ρήκα 25. Παξαδείγκαηα ξνπρηζκνύ, ππνινγηζκόο αληίζηαζεο ξνπρηζκνύ ζε clo ... 57
ρήκα 26. Βηνθιηκαηηθό δηάγξακκα θηηξίνπ, θαηά Givoni, and Watson&Labs ... 60
ρήκα 27. Κιίκαθα 7 ζεκείσλ ζεξκηθήο άλεζεο (ASHRAE) ... 61
ρήκα 28. Γείθηεο πξνβιεπόκελνπ πνζνζηνύ δπζαξεζηεκέλσλ, PPD ζπλαξηήζεη ηνπ δείθηε PMV, Γείθηεο πξνβιεπόκελεο κέζεο ςήθνπ ... 63
ρήκα 29. Ίδηα αληηθείκελα ζε δηαθνξεηηθή ζεξκνθξαζία ... 65
ρήκα 30. Πξνζνκνίσζε κεηαθνξάο ζεξκόηεηαο θαη ζεξκηθήο ηζνξξνπίαο δύν όκνησλ αληηθείκελσλ πνπ αξρηθά είραλ δηαθνξεηηθή ζεξκνθξαζία ... 66
ρήκα 31. Πεξηνρή πνπ πξνζνκνηώλεη ηξία δηαθνξεηηθά ζεκεία ελόο αζηηθνύ θαη εκηαζηηθνύ πεξηβάιινληνο ... 67
Γηπισκαηηθή Δξγαζία ix
ρήκα 32.Πξνζνκνίσζε ηξηώλ δηαθνξεηηθώλ ζεκείσλ ελόο αζηηθνύ θαη εκηαζηηθνύ
πεξηβάιινληνο ... 68
ρήκα 33.Κηίξην θαη ν πεξηβάιινληαο ρώξνο ηνπ ... 69
ρήκα 34. Πξνζνκνίσζε θηηξίνπ θαη ηνπ πεξηβάιινληα ρώξνπ ηνπ ... 70
Γηπισκαηηθή Δξγαζία x
πληνκνγξαθίεο & Αθξσλύκηα
ΔΑΠ Διιεληθό Αλνηθηό Παλεπηζηήκην
ΑΠΘ Αξηζηνηέιεην Παλεπηζηήκην Θεζζαινλίθεο ΑΠΔ Αλαλεώζηκεο Πεγέο Δλέξγεηαο
ΣΙΠ Σόλνπο Ιζνδπλάκνπο Πεηξειαίνπ ΠΗ Παζεηηθά Ηιηαθά πζηήκαηα Η/Μ Ηιεθηξνκαγλεηηθά/ώλ
SVF Sky View Factor PMV Predicted Mean Vote
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating And Air Conditioning PPD Predicted Percentage Of Dissatisfied
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 1
1.Δηζαγσγή
Οη αλάγθεο ηνπ ζύγρξνλνπ αλζξώπνπ ηνλ αλάγθαζαλ λα κεηαβεί από ηελ ππνβαζκηζκέλε ύπαηζξν ζηα κεγάια αζηηθά θέληξα. Απηή ε αύμεζε ηνπ πιεζπζκνύ ησλ πόιεσλ είρε ζαλ απνηέιεζκα ηε ξαγδαία αλάπηπμε ησλ αζηηθώλ θέληξσλ ε νπνία δεκηνύξγεζε πξνβιήηα ζηέγαζεο. Η αλάγθε θαιύςεηο ησλ αλζξώπσλ ζε ζηέγαζε νδήγεζε ζε πεξηνξηζκό ηνπ ειεύζεξνπ αζηηθνύ ρώξνπ θαη λα ηνλ αληηθαηαζηήζεη µε κπεηόλ θαη άζθαιην. Έηζη ηα ζύγρξνλα αζηηθά θέληξα ραξαθηεξίδνληαη πιένλ από ην ππθλά δνκεκέλν πεξηβάιινλ, ηελ εθηελή ρξήζε πιηθώλ πνπ µόλν πξνβιήκαηα κπνξεί λα δεκηνπξγήζνπλ ζην πεξηβάιινλ θαη ηε κεγάιε θπθινθνξηαθή ζπκθόξεζε πνπ έρεη ζαλ επαθόινπζν ηελ αηκνζθαηξηθή ξύπαλζε θαη θιηκαηηθή κεηαβνιή.
Οη ρώξνη πξαζίλνπ, νη πιαηείεο, ηα πάξθα θαη γεληθόηεξα νη δεκόζηνη αλνηθηνί ρώξνη ζπλάζξνηζεο, θαηαιακβάλνπλ ζπλήζσο πεξηνξηζκέλε έθηαζε ζε πνιενδνκηθή θιίκαθα, κεηώλνληαο µε ηνλ ηξόπν απηό ηηο ζεηηθέο επηξξνέο ηνπο ζην κηθξνθιίκα θαη ζηελ επεκεξία ησλ θαηνίθσλ θαη ησλ ρξεζηώλ ηνπο. ια ηα παξαπάλσ δελ κπνξεί παξά λα έρνπλ ηζρπξή επίδξαζε ζηε δηακόξθσζε ησλ ηνπηθώλ θιηκαηηθώλ ζπλζεθώλ θαη θαη’ επέθηαζε ζηελ άλεζε θαη ζην επίπεδν ηεο πνηόηεηαο δσήο ζηηο πόιεηο. Λακβάλνληαο ππόςε όηη ν επαλαζρεδηαζκόο ηνπ αζηηθνύ ηζηνύ δελ είλαη πιένλ εθηθηόο, γίλεηαη επηηαθηηθή ε αλάγθε ηεο πξνζηαζίαο, απνθαηάζηαζεο, αλαβάζκηζεο θαη ρξήζεο ησλ ειεύζεξσλ ρώξσλ ζηα αζηηθά θέληξα.
ηελ παξνύζα δηπισκαηηθή εξγαζία ζα πξνζπαζήζνπκε κέζα από ηελ κειέηε ησλ θπξηόηεξσλ ζεξκηθώλ θαηλόκελσλ θαη ηνπο ηξόπνπο κεηάδνζεο ηεο ζεξκόηεηαο λα θαηαιάβνπκε ηελ ζεξκηθή ζπκπεξηθνξά ησλ θηηξίσλ. Δπίζεο ζα κειεηήζνπκε δηάθνξα κηθξνθιηκαηηθά θαηλόκελα πνπ εκθαλίδνληαη ζηνλ αζηηθό ρώξν, όπσο ε αζηηθή ζεξκηθή λεζίδα (Urban Heat Island) θαη ε αζηηθή νδηθή ραξάδξα (Urban Street Canyon).Θα αζρνιεζνύκε εθηελώο κε ηνπο παξάγνληεο πνπ επεξεάδνπλ ηε ζεξκηθή άλεζε ησλ αλζξώπσλ ηόζν ζε θηίξηα όζν θαη ζε αλνηθηνύο ρώξνπο. Μέζα από ηελ θαηαλόεζε θαη ηελ αλάιπζε ησλ παξαπάλσ ζα πξνζπαζήζνπκε λα δώζνπκε ιύζεηο γηα ηελ βειηίσζε ηνπ αζηηθνύ πεξηβάιινληνο θαη ηελ αλαδηακόξθσζε ηνπ αζηηθνύ ηζηνύ κέζα από ηελ ελεξγεηαθή αλαβάζκηζε ησλ θηηξίσλ. Σέινο ζα γίλεη πξνζνκνίσζε ηνπ αζηηθνύ πεξηβάιινληνο κέζα από ην πξόγξακκα Energy2D.
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 2
2. Θεξκηθά θαηλόκελα
Θεξκηθά θαηλόκελα νλνκάδνληαη όια ηα θαηλόκελα πνπ ζρεηίδνληαη κε ηε ζεξκόηεηα. Λόγσ ηεο αλάγθεο ηνπ αλζξώπνπ λα δεζηάλεη ην θαγεηό ηνπ, λα ζεξκάλεη ην ζπίηη ηνπ, αιιά θαη λα δηαηεξεί ζηαζεξή ηε ζεξκνθξαζία ηνπ ίδηνπ ηνπ ζώκαηόο ηνπ, ηνλ νδήγεζαλ ζην λα κειεηήζεη ηα θαηλόκελα ηα ζρεηηθά κε ηε ζεξκόηεηα. Ο άλζξσπνο εδώ θαη ρηιηάδεο ρξόληα αμηνπνίεζε ηε ζεξκόηεηα αλαθαιύπηνληαο ηξόπνπο κε ηνπο νπνίνπο κπνξεί λα ηε ρξεζηκνπνηεί θάζε θνξά πξνο όθειόο ηνπ. Η βαζηθόηεξε πεγή ζεξκόηεηαο γηα ηελ Γή είλαη ν Ήιηνο. Από ηελ αξραηόηεηα ν άλζξσπνο εθκεηαιιεύηεθε ηελ αλεμάληιεηε απηή πεγή ελέξγεηαο γηα λα κπνξέζεη λα εμππεξεηήζεη ηηο θαζεκεξηλέο ηνπ αλάγθεο. πσο είλαη γλσζηό ε ειηαθή αθηηλνβνιία είλαη θαηά βάζε ν πξσηνγελήο ελεξγεηαθόο ηξνθνδόηεο όισλ ησλ θπζηθώλ, ρεκηθώλ, θαη βηνινγηθώλ δηεξγαζηώλ πνπ ιακβάλνπλ ρώξα ζην πιαλήηε (Υαιδνύπεο, 2015).
Γηα λα κπνξέζνπκε λα θαηαλνήζνπκε ηα ζεξκηθά θαηλόκελα είλαη απαξαίηεην λα θαηαιάβνπκε ηη ζπκβαίλεη ζε έλα ζώκα ζε αηνκηθό επίπεδν. Η ύιε απνηειείηαη από άηνκα θαη κόξηα ηα νπνία θηλνύληαη ζπλερώο. Αλάινγα κε ηνλ ξπζκό ηαιαληώζεηο ησλ κνξίσλ ηεο ύιεο πξνθύπηνπλ θαη νη δηάθνξεο θαηαζηάζεηο ηεο νη νπνίεο είλαη ε ζηεξεά, ε πγξή, ε αέξηα θαη ην πιάζκα. Απηή ε ηπραία θαη ρανηηθή θίλεζε ησλ αηόκσλ θαη ησλ κνξίσλ ζηελ θπζηθή νλνκάδεηαη ζεξκηθή θίλεζε. Έλα ζώκα ράξε ζηελ ελεξγεηηθή ηνπ θίλεζε απνθηά ζεξκηθή ελέξγεηα. Η ζεξκηθή ελέξγεηα ππάξρεη ζε όιεο ηεο δξαζηεξηόηεηεο ηεο θαζεκεξηλόηεηαο καο, από ην καγείξεκα ηνπ θαγεηνύ σο ην δέζηακα ηνπ ζπηηηνύ καο. Σα κόξηα ησλ νπζηώλ ηηλάδνληαη ζπλερώο κε έλα είδνο απόηνκεο δόλεζεο θαη όζν κεγαιύηεξε είλαη απηή ε ηπραία θηλεηηθή ελέξγεηα ησλ κνξίσλ ηόζν ζεξκόηεξε είλαη ε νπζία. Γηα παξάδεηγκα όηαλ ρηππάκε έλα κέηαιιν κε ζθπξί, ην κέηαιιν ζα δεζηαζεί επεηδή ην ζθπξνθόπεκα αλαγθάδεη ηα κόξηα ηνπ λα ζπγθξνύνληαη ηαρύηεξα κεηαμύ ηνπο. ηαλ αξγόηεξα απνβάινπλ ηκήκα απηήο ηεο ελεξγείαο ζην πεξηβάιινλ πνπ βξίζθνληαη ην κέηαιιν ςύρεηαη πάιη.
ηαλ αγγίδνπκε έλα ζεξκό ζώκα κε ην ρέξη καο ηόηε ζεξκηθή ελέξγεηα κεηαθέξεηε από ην ζώκα ζην ρέξη καο, επεηδή ην ζώκα είλαη πεξηζζόηεξν ζεξκό από ην ρέξη καο. Σν αληίζεην ζα ζπκβεί αλ αγγίμνπκε έλα ςπρξό ζώκα όπσο είλαη έλα θνκκάηη πάγνπ. Σέηνηα θαηλόκελα ηα αληηκεησπίδνπκε θαζεκεξηλά ζηελ δσή καο θαη είλαη θαηαλνεηό όηη ε ζεξκηθή ελέξγεηα κεηαθέξεηαη πάληα από ην ζεξκόηεξν ζώκα πξνο ην ςπρξόηεξν γεηηνληθό ηνπ. Η πνζόηεηα πνπ καο ιέεη πόζν δεζηό ή θξύν είλαη θάηη ζρεηηθά κε έλα πξόηππν ζώκα νλνκάδεηαη
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 3
ζεξκνθξαζία. Η ζεξκνθξαζία είλαη ην κέηξν ηεο ηπραίαο κεηαθνξηθήο θίλεζεο ησλ αηόκσλ θαη ησλ κνξίσλ ελόο ζώκαηνο, δειαδή είλαη ην κέηξν ηεο κέζεο θηλεηηθήο ελέξγεηάο ηνπο.
Ξέξνπκε πσο ε ζεξκηθή ελέξγεηα δύν ιίηξσλ βξαζηνύ λεξνύ είλαη δηπιάζηα από απηή ελόο ιίηξνπ, επεηδή ηα δύν ιίηξα ζα ιεηώζνπλ δηπιάζην πάγν από όζνλ ην έλα. Η ζεξκνθξαζία όκσο θαη ησλ δύν πνζνηήησλ ηνπ λεξνύ είλαη ε ίδηα, επεηδή ίδηα είλαη ε κέζε θηλεηηθή ελέξγεηα ησλ κνξίσλ θαη ζηηο δύν πνζόηεηεο. πσο γίλεηαη αληηιεπηό ππάξρεη δηαθνξά κεηαμύ ηεο ζεξκηθήο ελέξγεηαο πνπ κεηξηέηαη ζε ηδάνπι θαη ηεο ζεξκνθξαζίαο πνπ κεηξηέηαη ζε βαζκνύο (Hewitt, 1997).
ηαλ ε ζεξκνθξαζία ελόο πιηθνύ κεηαβάιιεηαη κπνξεί λα κεηαβιεζνύλ ην κέγεζόο ηνπ θαη νη ειεθηξηθέο, καγλεηηθέο ή νπηηθέο ηδηόηεηέο ηνπ. Απηέο νη κεηαβνιέο κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ γηα λα βξεζεί θαη λα κεηξεζεί ε κεηαβνιή ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ. ηηο πεξηζζόηεξεο πεξηπηώζεηο ην απινύζηεξν είλαη λα ρξεζηκνπνηεζεί ε κεηαβνιή ηνπ κεγέζνπο.
ια ζρεδόλ ηα πιηθά δηαζηέιινληαη όηαλ δεζηαζνύλ θαη ζπζηέιινληαη όηαλ θξπώζνπλ. Σν ζεξκόκεηξν είλαη ην όξγαλν πνπ κεηξά ηε ζεξκνθξαζία κέζσ ηεο δηαζηνιήο θαη ζπζηνιήο ελόο πγξνύ, ζπλήζσο ηνπ πδξαξγύξνπ ή ηεο ρξσκαηηζκέλεο αιθνόιεο. Γηα λα βαζκνινγεζεί έλα ζεξκόκεηξν ρξεζηκνπνηείηαη ν αξηζκόο κεδέλ γηα ηε ζεξκνθξαζία ζηελ νπνία παγώλεη ην λεξό θαη ν αξηζκόο εθαηό γηα ηε ζεξκνθξαζία ζηελ νπνία βξάδεη. Σν δηάζηεκα κεηαμύ ησλ δύν αξηζκώλ δηαηξείηαη ζε εθαηό ίζα κέξε, πνπ νλνκάδνληαη βαζκνί (Hewitt, 1997).
ηελ θαζεκεξηλόηεηα καο ζπλεζίδνπκε λα ζθεθηόκαζηε ηελ ζεξκηθή ελέξγεηα ζαλ κία άιιε νλνκαζία ηεο ζεξκνθξαζίαο. Έλα ζώκα πεξηέρεη ζεξκηθή ελέξγεηα πνπ είλαη ε νιηθή θηλεηηθή ελέξγεηα ησλ κνξίσλ ηνπ. Η ζεξκόηεηα νξίδεηαη σο ε ζεξκηθή ελέξγεηα πνπ κεηαθέξεηαη από έλα ζώκα ζε θάπνην άιιν εμαηηίαο ηεο δηαθνξάο ζεξκνθξαζίαο ηνπο. Η ζεξκόηεηα ξέεη, ελώ ε ζεξκηθή ελέξγεηα κπνξεί λα ξέεη ή όρη. ηαλ ε ζεξκόηεηα κεηαθεξζεί κηα θνξά ζε έλα ζώκα ή ζε κηα νπζία, παύεη λα είλαη ζεξκόηεηα θαη γίλεηαη ζεξκηθή ελέξγεηα. ε ζώκαηα πνπ βξίζθνληαη ζε ζεξκηθή επαθή, ε ζεξκόηεηα ζα κεηαθηλεζεί από ην ζώκα κε ηελ πςειόηεξε ζεξκνθξαζία ζην ζώκα κε ηελ ρακειόηεξε, αιιά δελ ζα κεηαθηλεζεί αλαγθαζηηθά από έλα ζώκα κε πεξηζζόηεξε ζεξκηθή ελέξγεηα ζε θάπνην άιιν κε ιηγόηεξε. ε έλα θιηηδάλη δεζηό λεξό ππάξρεη πεξηζζόηεξε ζεξκηθή ελέξγεηα από όζε ζε έλα εξπζξνππξσκέλν θαξθί. Αλ βνπηήμνπκε ην θαξθί ζην λεξό δελ ζα κεηαθηλεζεί ζεξκόηεηα από ην ζεξκό λεξό ζην θαξθί αιιά αληίζεηα, ζεξκόηεηα ζα κεηαθηλεζεί από ην ζεξκόηεξν θαξθί ζην ζρεηηθά ςπρξόηεξν λεξό. Η ζεξκόηεηα δελ ξέεη πνηέ κόλε ηεο από έλα ζώκα ςπρξόηεξν ζε έλα ζεξκόηεξν (Hewitt, 1997).
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 4
Σν πνζό ζεξκόηεηαο πνπ κεηαθηλείηαη δελ εμαξηάηαη κόλν από ηε δηαθνξά ζεξκνθξαζίαο ησλ νπζηώλ αιιά θαη από ηελ πνζόηεηα ηεο ύιεο ηνπο. Έλα βαξέιη γεκάην ζεξκό λεξό ζα κεηαδώζεη πεξηζζόηεξε ζεξκόηεηα ζε ςπρξόηεξε νπζία από όζε έλα θιηηδάλη λεξό ηεο ίδηαο ζεξκνθξαζίαο. ηελ κεγαιύηεξε πνζόηεηα λεξνύ ππάξρεη πεξηζζόηεξε ζεξκηθή ελέξγεηα.
Έλα ζώκα δελ πεξηέρεη ζεξκόηεηα αιιά εζσηεξηθή ελέξγεηα. Θεξκόηεηα είλαη ε εζσηεξηθή ελέξγεηα ε νπνία κεηαθέξεηαη από έλα ζώκα ζε θάπνην άιιν εμαηηίαο ηεο δηαθνξάο ησλ ζεξκνθξαζηώλ ηνπο. Η πνζόηεηα ηεο κεηαθεξόκελεο ζεξκόηεηαο κεηξηέηαη κε θάπνηα κεηαβνιή πνπ ζπλνδεύεη ηε δηαδηθαζία ηεο κεηαθνξάο. Γηα λα πξνζδηνξίζνπκε ηελ ελεξγεηαθή αμία ησλ ηξνθίκσλ κεηξνύκε ηελ πνζόηεηα ηεο εζσηεξηθήο ελέξγεηαο ε νπνία ειεπζεξώλεηαη σο ζεξκόηεηα θαηά ηελ θαύζε ηνπο. Η κνλάδα ηεο ζεξκόηεηαο νξίδεηαη σο ε ζεξκόηεηα πνπ απαηηείηαη γηα ηελ παξαγσγή θάπνηαο πξόηππεο πξνζπκθσλεκέλεο κεηαβνιήο. Χο κνλάδα κέηξεζεο ηεο ζεξκόηεηαο ρξεζηκνπνηείηαη ε ζεξκίδα, πνπ είλαη ην πνζό ηεο ζεξκόηεηαο πνπ απαηηείηαη γηα λα κεηαβιεζεί ε ζεξκνθξαζία ελόο γξακκαξίνπ λεξνύ θαηά έλα βαζκό Κειζίνπ. Σώξα πνπ μέξνπκε όηη ε ζεξκόηεηα είλαη κηα κνξθή ελέξγεηαο, γλσξίδνπκε όηη ζην Γηεζλέο ύζηεκα Μνλάδσλ (SI) όιεο νη κνξθέο ελέξγεηαο κεηξηνύληαη ζε ηδάνπι, άξα θαη ε ζεξκόηεηα ζα κεηξηέηαη ζε ηδάνπι (Hewitt, 1997).
2.1 Γηάδνζε ηεο ζεξκόηεηαο
Η ζεξκόηεηα έρεη πάληα ηελ ηάζε λα πεξλά από ην δεζηόηεξν ζώκα ζην πην θξύν. Αλ κεξηθά ζώκαηα κε δηαθνξεηηθή ζεξκνθξαζία βξίζθνληαη ζε ζεξκηθή επαθή ηόηε ηα δεζηά θξπώλνπλ ελώ ηα θξύα ζεξκαίλνληαη, κέρξη λα θηάζνπλ όια ζηελ ίδηα ζεξκνθξαζία. Η εμίζσζε ηεο ζεξκνθξαζίαο γίλεηαη κε ηξείο ηξόπνπο κε αγσγή, κε κεηαθνξά θαη κε αθηηλνβνιία.
2.1.1Αγσγή
Κξαηάκε πάλσ από ηελ θσηηά ηελ άθξε ελόο θαξθηνύ θαη γξήγνξα ζα γίλεη ηόζν θαπηό πνπ δελ ζα κπνξνύκε λα ην θξαηήζνπκε. Η ζεξκόηεηα εηζέξρεηαη ζην κεηαιιηθό θαξθί ζηελ άθξε πνπ βξίζθεηαη ζηε θιόγα θαη κεηαβηβάδεηαη ζε όιν ην κήθνο. Η δηάδνζε ηεο ζεξκόηεηαο κε απηόλ ηνλ ηξόπν νλνκάδεηαη αγσγή. ε αηνκηθό επίπεδν ηα άηνκα ηεο ζεξκήο πεξηνρήο δηαζέηνπλ πεξηζζόηεξε θηλεηηθή ελέξγεηα θαηά κέζνλ όξν, από όηη ηα γεηηνληθά ηνπο άηνκα ζηελ ςπρξή πεξηνρή. Σα ζεξκά δίλνπλ κέξνο ηεο ελέξγεηάο ηνπο ζηα ςπρξά γεηηνληθά ηνπο, θαη απηά κε ηε ζεηξά ηνπο ζηα δηθά ηνπο γεηηνληθά, θαη ε δηαδηθαζία ζπλερίδεηαη θαηά κήθνο ηνπ θαξθηνύ. Σα ίδηα ηα άηνκα δελ κεηαθηλνύληαη από πεξηνρή ζε πεξηνρή, ε ελέξγεηά ηνπο όκσο κεηαθέξεηαη. Γειαδή ε θσηηά αλαγθάδεη ηα κόξηα ηεο ζεξκαηλόκελεο άθξεο ηνπ θαξθηνύ λα θηλεζνύλ ηαρύηεξα. Γηα ηνλ ιόγν απηό ηα κόξηα θαη ηα
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 5
ειεύζεξα ειεθηξόληα ζπγθξνύνληαη κε ηα γεηηνληθά ηνπο θαη ηα αλαγθάδνπλ λα θηλεζνύλ επίζεο ηαρύηεξα. Απηά ζπγθξνύνληαη κε ηα γεηηνληθά ηνπο θαη ε δηαδηθαζία ζπλερίδεηαη έσο όηνπ ε εληνλόηεξε θίλεζε λα κεηαδνζεί ζε όια ηα κόξηα θαη λα ζεξκαλζεί νιόθιεξν ην ζώκα. Η ζεξκνθξαζία άγεηαη κε ηηο ζπγθξνύζεηο ησλ ειεθηξνλίσλ θαη ησλ κνξίσλ (Hewitt, 1997).
Η θαιή αγσγή ηεο ζεξκόηεηαο ζε έλα ζώκα εμαξηάηαη από ηνλ ειεθηξηθό δεζκό ηεο κνξηαθήο δνκήο. Σα ζηεξεά πνπ ηα κόξηα ηνπο έρνπλ ραιαξό εμσηεξηθό ειεθηξόλην άγνπλ θαιά ηε ζεξκόηεηα θαη ηνλ ειεθηξηζκό. Σα κέηαιια πνπ δηαζέηνπλ ηα πην ραιαξά εμσηεξηθά ειεθηξόληα είλαη νη θαιύηεξνη αγσγνί ηεο ζεξκόηεηαο θαη ηνπ ειεθηξηζκνύ. ηα κέηαιια ε θίλεζε ησλ ειεθηξνλίσλ παξέρεη έλαλ άιιν κεραληζκό γηα ηε δηάδνζε ηεο ζεξκόηεηαο. Σα πεξηζζόηεξα κέηαιια είλαη θαινί αγσγνί ηνπ ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο επεηδή θάπνηα ειεθηξόληα κπνξνύλ λα απνδεζκεύνληαη από ην παηξηθό ηνπο άηνκν θαη λα πεξηθέξνληα κέζα ζην θξπζηαιιηθό πιέγκα. Απηά ηα ειεύζεξα ειεθηξόληα κπνξνύλ λα κεηαθέξνπλ ελέξγεηα από ηε ζεξκόηεξε ζηελ ςπρξόηεξε πεξηνρή ηνπ κεηάιινπ. Ο άξγπξνο έξρεηαη πξώηνο ζηε ζεηξά αγσγηκόηεηαο θαη αθνινπζνύλ ν ραιθόο, ην αινπκίλην θαη ν ζίδεξνο αλάκεζα ζηα θνηλά κέηαιια. Σν καιιί, ην μύιν, ην άρπξν, ν θειιόο θαη ε πνιπζηεξίλε είλαη πνιύ θαθνί αγσγνί ηεο ζεξκόηεηαο θαη νλνκάδνληαη κνλσηέο. Σα πγξά θαη ηα αέξηα είλαη γεληθά θαθνί αγσγνί. Ο αέξαο είλαη πνιύ θαθόο αγσγόο. Πνξώδεηο νπζίεο πνπ έρνπλ πνιινύο κηθξνύο ρώξνπο κε αέξα είλαη πνιύ θαθνί αγσγνί δειαδή θαινί κνλσηέο. Αθξηβώο ζε απηνύο ηνπο ρώξνπο νθείινληαη νη θαιέο κνλσηηθέο ηδηόηεηεο πνπ έρνπλ ην καιιί, ε γνύλα θαη ηα θηεξά. ην όηη είλαη θαθόο αγσγόο ν αέξαο νθείιεηαη ην γεγνλόο όηη δελ αηζζαλόκαζηε θξύν αθόκα θαη ηηο κέξεο κε 25νC (Hewitt, 1997).
Σν ρηόλη είλαη θαθόο αγσγόο, νη θξύζηαιινη ησλ ληθάδσλ πνπ ζπζζσξεύνληαη ζε αθξώδεηο κάδεο πνπ πεξηθιείνπλ αέξα εκπνδίδνπλ ηε ζεξκόηεηα λα δηαθύγεη από ηελ επηθάλεηα ηεο γεο. Οη ρεηκεξηλέο θαηνηθίεο ησλ Δζθηκώσλ πξνζηαηεύνληαη από ην θξύν επεηδή ζθεπάδνληαη κε ρηόλη. Σα δώα ηνπ δάζνπο βξίζθνπλ θαηαθύγην από ην θξύν ζε πάγθνπο πάγνπ θαη ζε ηξύπεο κέζα ζην ρηόλη. Σν ρηόλη δελ ηνπο πξνζθέξεη ζεξκόηεηα απιώο εκπνδίδεη λα ράζνπλ ηε ζεξκόηεηα πνπ παξάγνπλ ηα ίδηα. Η ζεξκνθξαζία δηαδίδεηαη από ηελ πςειόηεξε ζεξκνθξαζία ζηελ ρακειόηεξε. Μέζα ζε έλα δεζηό ζπίηη ην ρεηκώλα δελ κπαίλεη θξύν αιιά αληίζεηα ην ζπίηη θξπώλεη επεηδή ε ζεξκόηεηα θεύγεη ζην εμσηεξηθό ηνπ. Απηόο είλαη ν ιόγνο πνπ ηα ζπίηηα κνλώλνληαη κε δηάθνξα ζεξκνκνλσηηθά πιηθά, όπσο ν πεηξνβάκβαθαο θαη ε πνιπζηεξίλε, γηα λα εκπνδηζηεί ε δηαθπγή ηεο ζεξκόηεηαο. Έρεη κεγάιν ελδηαθέξσλ ην
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 6
όηη ε κόλσζε νπνηνπδήπνηε είδνπο δελ εκπνδίδεη πξαγκαηηθά ηε ζεξκνθξαζία λα πεξάζεη κέζα ηεο, απιώο επηβξαδύλεη ην ξπζκό ηεο δηείζδπζήο ηεο. Αθόκα θαη έλα θαιά κνλσκέλν δεζηό ζπίηη ζα θξπώζεη βαζκηαία ην ρεηκώλα, δειαδή ε κόλσζε θαζπζηεξεί ηε δηάδνζε ηεο ζεξκόηεηαο (Hewitt , 1997).
Γηάδνζε ζεξκόηεηαο κπνξεί λα γίλεη κόλν κεηαμύ πεξηνρώλ κε δηαθνξεηηθέο ζεξκνθξαζίεο θαη ε θαηεύζπλζε ηεο ξνήο είλαη πάληνηε από ηελ πεξηνρή πςειήο ζεξκνθξαζίαο πξνο ηελ πεξηνρή ρακειήο ζεξκνθξαζίαο. Σν (ζρήκα 1) δείρλεη κηα ξάβδν από αγώγηκν πιηθό, κήθνπο L θαη δηαηνκήο A. Σν αξηζηεξό ηεο άθξν δηαηεξείηαη ζε ζεξκνθξαζίαTHθαη ην δεμί ηεο ζε ρακειόηεξε ζεξκνθξαζία TC. Τπνζέηνπκε όηη νη πιεπξηθέο επηθάλεηεο είλαη θαηάιιεια κνλσκέλεο ώζηε λα κελ ππάξρεη δηάδνζε ζεξκόηεηαο από ηα πιάγηα θαη ε ζεξκόηεηα ξέεη από αξηζηεξά πξνο ηα δεμηά. Αλ θάπνην πνζό ζεξκόηεηαο dQ κεηαθέξεηαη ζε ρξόλν dt, ν ξπζκόο ξνήο ηεο ζεξκόηεηαο είλαη dQ/dt. Ο ξπζκόο απηόο νλνκάδεηαη ζεξκηθό ξεύκα θαη ζπκβνιίδεηαη κε H, δειαδή H = dQ/dt. Πεηξακαηηθά έρεη βξεζεί όηη ην ξεύκα ζεξκόηεηαο είλαη αλάινγν ηεο δηαηνκήο Aθαη ηεο δηαθνξάο ζεξκνθξαζίαο (TH–TC) θαη αληηζηξόθσο αλάινγν ηνπ κήθνπο L. Δηζάγνληαο κηα ζηαζεξά αλαινγίαο k, ε ζεξκηθή αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ γξάθεηαη:
Η πνζόηεηα (TH–TC)/L είλαη ε κεηαβνιή ζεξκνθξαζίαο αλά κνλάδα κήθνπο θαη νλνκάδεηαη ζεξκνβαζκίδα. Η αξηζκεηηθή ηηκή ηνπ kεμαξηάηαη από ην πιηθό ηεο ξάβδνπ. Τιηθά κε κεγάιν kείλαη θαινί αγσγνί ηεο ζεξκόηεηαο ελώ πιηθά κε κηθξό kείλαη θαθήο πνηόηεηαο αγσγνί ή κνλσηέο. Η παξαπάλσ εμίζσζε ηζρύεη γηα νπνηνδήπνηε νκνγελέο ζώκα κε ζηαζεξή δηαηνκή A θάζεηα ζηε δηεύζπλζε ηεο ξνήο θαη L είλαη ην κήθνο ηεο δηαδξνκήο ηεο ζεξκηθήο ξνήο. Οη κνλάδεο ηνπ ζεξκηθνύ ξεύκαηνο Hείλαη κνλάδεο ελέξγεηαο αλά κνλάδα ρξόλνπ ή ηζρύο, δειαδή ζην ζύζηεκα SIείλαη joule/sή watt.ε πξνβιήκαηα ζεξκηθήο κόλσζεο θηηξίσλ ρξεζηκνπνηνύκε ηελ έλλνηα ηεο ζεξκηθήο αληίζηαζεο R. Η ζεξκηθή αληίζηαζε κίαο πιάθαο πιηθνύ κε επηθάλεηα Aνξίδεηαη έηζη ώζηε ην ζεξκηθό ξεύκα Hκέζα από ηελ πιάθα λα είλαη:
πνπ THθαηTC είλαη νη ζεξκνθξαζίεο ζηηο δύν πιεπξέο ηεο πιάθαο θαη ην Rείλαη R = L/k, κε ην Lλα είλαη ην πάρνο ηεο πιάθαο (Young, 1992).
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 7
ρήκα 1. Μόληκε ξνή ζεξκόηεηαο ιόγσ αγσγήο ζε νκνγελή ξάβδν (Young, 1992)
2.1.2 Μεηαθνξά
Μεηαθνξά είλαη ε δηάδνζε ζεξκόηεηαο ιόγσ κεηαθίλεζεο ηεο κάδαο ελόο ξεπζηνύ από κηα πεξηνρή ηνπ ρώξνπ ζε κηαλ άιιε. Γλσζηά παξαδείγκαηα είλαη ηα ζπζηήκαηα ζέξκαλζεο θηηξίσλ κε δεζηό αέξα ή δεζηό λεξό, ην ζύζηεκα ςύμεο ηεο κεραλήο ελόο απηνθηλήηνπ θαη ε ζέξκαλζε ηνπ ζώκαηόο καο κε ηε ξνή ηνπ αίκαηνο. Αλ ην ξεπζηό αλαθπθιώλεηαη κε θάπνηα αληιία ε δηαδηθαζία απνηειεί εμαλαγθαζκέλε κεηαθνξά, ελώ αλ ε ξνή πξνθαιείηαη από δηαθνξνπνηήζεηο ππθλόηεηαο πνπ δεκηνπξγεί θάπνηα ζεξκηθή δηαζηνιή, όπσο ε αλύςσζε ηνπ ζεξκνύ αέξα, ε δηαδηθαζία νλνκάδεηαη θπζηθή ή ειεύζεξε κεηαθνξά. Η δηάδνζε ζεξκόηεηαο κε κεηαθνξά παίδεη ζεκαληηθό ξόιν ζηε δηακόξθσζε θαηξηθώλ θαηαζηάζεσλ, εηδηθά ζηνπο σθεαλνύο απνηειεί έλαλ ζεκαληηθό κεραληζκό δηάδνζεο ζεξκόηεηαο ζε γεσθπζηθή θιίκαθα. ε κηθξόηεξε θιίκαθα νη πηιόηνη ησλ αλεκνπιάλσλ εθκεηαιιεύνληαη ηα ζεξκηθά αλνδηθά ξεύκαηα από ηε ζεξκή επηθάλεηα ηεο Γήο. Ο πην ζεκαληηθόο κεραληζκόο δηάδνζεο ζεξκόηεηαο ζην αλζξώπηλν ζώκα, αλαγθαίνο γηα ηε δηαηήξεζε ηεο ζρεδόλ ζηαζεξήο ζεξκνθξαζίαο ηνπ αλεμάξηεηα από ην πεξηβάιινλ, είλαη ε εμαλαγθαζκέλε κεηαθνξά ηνπ αίκαηνο ράξε ζηε ιεηηνπξγία ηεο θαξδηάο σο αληιίαο (Young, 1992).
ηα πγξά θαη ηα αέξηα ε ζεξκόηεηα δηαδίδεηαη θπξίσο κε κεηαθνξά πνπ είλαη δηάδνζε κε ξεύκα. ηαλ ν αέξαο βξεζεί ζε επαθή κε ζεξκή επηθάλεηα ζεξκαίλεηαη νπόηε αλεβαίλεη πξνο ηα πάλσ θαη ηνλ αληηθαζηζηά άιινο ςπρξόηεξνο. ηαλ ε ζεξκή ζηήιε ηνπ αέξα αλεβεί ςύρεηαη θαη μαλαθαηεβαίλεη θαη ε δηαδηθαζία επαλαιακβάλεηαη. Η κάδα ηνπ δεζηνύ αέξα δηαζηέιιεηαη ε ππθλόηεηα ηεο γίλεηαη κηθξόηεξε από ηελ ππθλόηεηα ηνπ γύξσ αέξα θαη σζείηαη πξνο ηα πάλσ, όπσο έλα αεξόζηαην. Η άλσζε έρεη θαηεύζπλζε πξνο ηα πάλσ, επεηδή ε πίεζε ηνπ αέξα θάησ από ηελ πεξηνρή ηεο ζεξκήο κάδαο είλαη κεγαιύηεξε από ηελ πίεζε ηνπ από πάλσ. Ο δεζηόο αέξαο αλπςώλεηαη επεηδή ε δύλακε ηεο άλσζεο ππεξβαίλεη ην βάξνο ηνπ (Hewitt, 1997).
Μπνξνύκε από κηα άιιε νπηηθή γσλία λα θαηαιάβνπκε ηελ αλύςσζε ηνπ δεζηνύ αέξα, εμεηάδνληαο ηελ θίλεζε ησλ μερσξηζηώλ κνξίσλ. Θα εμεηάζνπκε κηα αξθεηά κεγάιε πεξηνρή ίδηνλ κνξίσλ πνπ ιόγν βαξύηεηαο ζα βξνύκε πεξηζζόηεξα ζην θάησ κέξνο ηεο πεξηνρήο
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 8
παξά ζηελ θνξπθή, δειαδή ην αέξην ζα είλαη ππθλόηεξν ζην έδαθνο. ε απηή ηελ πεξηνρή ε ζεξκόηεηα ζα είλαη νκνηόκνξθε νπόηε όια ηα κόξηα έρνπλ θαηά κέζν όξν ηελ ίδηα θηλεηηθή ελέξγεηα θαη ηελ ίδηα κέζε ηαρύηεηα. Απηά ηα κόξηα ζα έρνπλ ηελ ίδηα ηάζε γηα λα κεηαθηλεζνύλ ζε νιόθιεξε ηελ πεξηνρή. Αλ εηζάγνπκε έλα κόξην πνπ θηλείηαη ηαρύηεξα, ηόηε απηό ζα ζπγθξνπζηεί κε ηα γεηηνληθά ηνπ κόξηα πνπ θηλνύληαη πην αξγά κέρξη λα δώζεη ηελ επηπιέσλ ελέξγεηα ηνπ. Αλ ηνπνζεηήζνπκε ην κόξην δείγκα ζηε κέζε ηεο πεξηνρήο καο, απηό ζα ζπγθξνπζηεί κε κόξηα πξνο όιεο ηηο δηεπζύλζεηο. Δπεηδή ρακειά ε ππθλόηεηα ησλ κνξίσλ είλαη κεγαιύηεξε ε κεηαθίλεζε πξνο ηα θάησ ζπλαληά κεγαιύηεξε αληίζηαζε από όηη πξνο ηα πάλσ, όπνπ ν αέξαο είλαη ιηγόηεξν ππθλόο, άξα ην κόξην ζα ζπγθξνπζηεί κε πεξηζζόηεξα κόξηα όηαλ θηλείηαη ζην θάησ κέξνο ηεο πεξηνρήο καο παξά όηαλ θηλείηαη ζην πάλσ. Έηζη ην κόξην δείγκα όηαλ θηλείηαη πξνο ηα πάλσ ζα δηαζρίδεη κεγαιύηεξε απόζηαζε πξηλ ζπγθξνπζηεί κε θάπνην κόξηα, αληίζεηα κε απηό πνπ ζπκβαίλεη όηαλ θαηέξρεηαη.
Δπνκέλσο ην κόξην έρεη κεγαιύηεξε κέζε ειεύζεξε δηαδξνκή όηαλ θηλείηαη πξνο ηα πάλσ, άξα ην κόξην πνπ θηλείηαη ηαρύηεξα ζα ηείλεη λα πάεη πξνο ηα πάλσ κε ηα ηπραία ηνπ ηηλάγκαηα. Έλα κόλν κόξην ζα κνηξαζηεί ζύληνκα ηελ επηπιέσλ ελέξγεηα θαη νξκή ηνπ κε ηα ιηγόηεξν ελεξγεηηθά γεηηνληθά ηνπ κόξηα θαη δελ ζα κπνξεί λα αλέβεη πνιύ ςειά. Αλ έρνπκε κηα κεγάιε όκσο νκάδα ελεξγεηηθώλ κνξίσλ ηόηε πνιιά ζα αλέβνπλ ζε ζεκαληηθό ύςνο πξηλ ζθνξπηζηεί ε ελέξγεηα θαη ε νξκή ηνπο (Hewitt, 1997).
Αθνύ ν δεζηόο αέξαο αλπςώλεηαη ζα πεξηκέλακε ε αηκόζθαηξα λα είλαη δεζηόηεξε όζν αλεβαίλνπκε, δειαδή νη θνξπθέο ησλ βνπλώλ ζα ήηαλ δεζηέο θαη πξάζηλεο ελώ νη ρακειόηεξεο θνηιάδεο θξύεο θαη ρηνλνζθέπαζηεο. Κάηη ηέηνην δελ ζπκβαίλεη γηαηί ε αηκόζθαηξα είλαη ςπρξόηεξε όζν κεγαιώλεη ην ύςνο θαη ε πξσηαξρηθή αηηία απηήο ηεο ςπρξόηεηαο ηεο αηκόζθαηξαο ζηα κεγάια ύςε ζρεηίδεηαη κε ην γεγνλόο όηη ν δεζηόο αέξαο αλπςώλεηαη. Ο δεζηόο αέξαο αλεβαίλεη από ηελ πεξηνρή θνληά ζην έδαθνο όπνπ ε αηκνζθαηξηθή πίεζε είλαη κεγαιύηεξε, ζε πςειόηεξε πεξηνρή όπνπ ε πίεζε είλαη κηθξόηεξε.
ζν αλεβαίλεη ζε πεξηνρέο κε κηθξόηεξε πίεζε ν αέξαο δηαζηέιιεηαη θαη ε γξήγνξε δηαζηνιή ηνπ είλαη δηαδηθαζία ςύμεο. Θα ηνπνζεηήζνπκε έλα κόξην ζην θέληξν κηαο πεξηνρήο ηνπ δηαζηειιόκελνπ αέξα. ηαλ έλα κόξην ζπγθξνύεηαη κε θάπνην άιιν ηαρύηεξν πνπ ην πιεζηάδεη ε ηαρύηεηα αλάθξνπζεο ηνπ απμάλεηαη, ελώ όηαλ ζπγθξνύεηαη κε θάπνην πνπ απνκαθξύλεηαη ε ηαρύηεηα αλάθξνπζεο κεηώλεηαη. Αλ ην κόξην βξίζθεηαη ζε πεξηνρή ηνπ αέξα πνπ δηαζηέιιεηαη ηόηε θαηά κέζν όξν ζα ζπγθξνύεηαη κε κεγαιύηεξν πνζνζηό κνξίσλ πνπ απνκαθξύλνληαη παξά πνπ πιεζηάδνπλ κε απνηέιεζκα ε ηαρύηεηά ηνπ λα
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 9
ειαηηώλεηαη. Δπεηδή ππάξρνπλ πνιιά επηβξαδπλόκελα κόξηα ζεκεηώλεηαη πηώζε ηεο ζεξκνθξαζίαο. Η ελέξγεηα ζηελ πεξίπησζε απηή κεηαηξέπεηαη ζην έξγν πνπ θαηαλαιώλεηαη ζηνλ πεξηβάιινληα αέξα θαζώο ν όγθνο ηνπ πνπ δηαζηέιιεηαη σζείηαη πξνο ηα έμσ. Έηζη ε εζσηεξηθή ελέξγεηα αξαηώλεη δειαδή ε ελέξγεηα αλά κνλάδα όγθνπ αιιά θαη ε ζεξκνθξαζία ειαηηώλνληαη (Hewitt, 1997).
Γπν κόξηα πνπ αλαπεδνύλ αθνύ ζπγθξνπζηνύλ κεηαμύ ηνπο έρνπλ ηελ ίδηα νιηθή ελέξγεηα θαη νξκή πξηλ θαη κεηά ηε ζύγθξνπζε. Η ζεξκνθξαζία είλαη ην κέηξν ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηάο ηνπο θαη όρη ηνπ πιήζνπο ησλ ζπγθξνύζεώλ ηνπο. Η ζεξκνθξαζία ηνπ αεξίνπ δελ ζα ήηαλ δηαθνξεηηθή αλ όια ηνπ ηα κόξηα κπνξνύζαλ λα θηλεζνύλ ρσξίο λα ζπγθξνύνληαη κεηαμύ ηνπο, δειαδή όηαλ έλα αέξην ζεξκαίλεηαη ηα κόξηα ηνπ ζπγθξνύνληαη ζπρλόηεξα.
Μπνξνύκε λα πνύκε όηη ζπγθξνύνληαη ζπρλόηεξα επεηδή έρνπλ δεζηαζεί αιιά δελ κπνξνύκε λα πνύκε πσο ζεξκαίλνληαη επεηδή ζπγθξνύνληαη ζπρλόηεξα. Η αηηία παξάγεη ην θαηλόκελν θαη όρη ην αληίζηξνθν (Hewitt, 1997).
Η ζπκπίεζε ζεξκαίλεη ηνλ αέξα ελώ ε δηαζηνιή ησλ θξπώλεη, αιιά αλ ζπκπηεζηεί ή δηαζηαιεί κεηά από ιίγν θηάλεη ζε ζεξκηθή ηζνξξνπία κε ην πεξηβάιινλ ηνπ. Αλ αγγίμνπκε έλα δνρείν πνπ πεξηέρεη ζπκπηεζκέλν αέξα ζα βξνύκε όηη έρεη ηελ ίδηα ζεξκνθξαζία κε ην πεξηβάιινλ ηνπ. Αλ βάινπκε ην ρέξη καο ζην ξεύκα ηνπ ίδηνπ αέξα όηαλ δηαθεύγεη από ην δνρείν, δειαδή δηαζηέιιεηαη βγαίλνληαο από ην ζηόκην, ζα λνηώζνπκε αηζζεηά ρακειόηεξε ζεξκνθξαζία. Απηό ην θαηλόκελν κπνξνύκε λα ην παξαηεξήζνπκε ζηνλ αηκό πνπ εθηνλώλεηαη βγαίλνληαο από ηε βαιβίδα κηαο ρύηξαο ηαρύηεηαο. Η ςύμε πνπ πξνέξρεηαη από ηελ εθηόλσζε θαη ηε γξήγνξε αλάκημε ηνπ αηκνύ κε ηνλ ςπρξόηεξν αέξα καο επηηξέπεη λα θξαηήζνπκε άλεηα ην ρέξη καο ζην ξεύκα ηνπ ζπκππθλσκέλνπ αηκνύ.
Η κεηαθνξά είλαη ν ηξόπνο δηάδνζεο ηεο ζεξκόηεηαο ζε όια ηα ξεπζηά, πγξά θαη αέξηα. Δίηε ζεξκαίλνπκε λεξό ζε κηα θαηζαξόια είηε ηνλ αέξα ελόο δσκαηίνπ ε δηαδηθαζία είλαη ε ίδηα.
Αλ ην ξεπζηό ζεξκαίλεηαη από θάησ ε ηαρύηεηα ησλ κνξίσλ κεγαιώλεη θαη αλεβαίλνπλ αθήλνληαο έηζη ρώξν γηα λα έξζεη πξνο ηα θάησ ςπρξόηεξν ξεπζηό. Με ηνλ ηξόπν απηόλ ηα ξεύκαηα κεηαθνξάο θξαηνύλ ην ξεπζηό ζε θίλεζε πξνο ηα πάλσ όζν ζεξκαίλεηαη. Σα ξεύκαηα κεηαθνξάο πνπ ελεξγνπνηνύλ ηελ αηκόζθαηξα πξνθαινύλ ηνπο αλέκνπο. Μεξηθά κέξε ηεο επηθάλεηαο ηεο γεο απνξξνθνύλ ζεξκόηεηα από ηνλ Ήιην επθνιόηεξα από άιια κε απνηέιεζκα ν αέξαο πάλσ από ηε γε λα ζεξκαίλεηαη αλνκνηόκνξθα θαη λα ζρεκαηίδνληαη ξεύκαηα κεηαθνξάο. Σν θαηλόκελν απηό είλαη εληνλόηεξν ζηηο παξάθηηεο πεξηνρέο. ηελ δηάξθεηα ηεο κέξαο ε αθηή ζεξκαίλεηαη πεξηζζόηεξν από ην λεξό θαη ν αέξαο πάλσ από ηελ
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 10
αθηή αλπςώλεηαη αθήλνληαο ηε ζέζε ηνπ λα ηελ θαηαιάβεη ςπρξόηεξνο αέξαο από πην ςειά. Σε λύρηα ε δηαδηθαζία αληηζηξέθεηαη επεηδή ε αθηή ςύρεηαη ηαρύηεξα από ην λεξό θαη ηόηε ν ζεξκόηεξνο αέξαο βξίζθεηαη πάλσ από ηε ζάιαζζα (ρήκα 2) (Hewitt, 1997).
ρήκα 2. Ρεύκαηα κεηαθνξάο πνπ ζρεκαηίδνληαη από ηελ άληζε ζέξκαλζε.
(α) Ο δεζηακέλνο αέξαο αλπςώλεηαη θαη θξπώλεη, θαζώο δηαζηέιιεηαη. Σόηε βπζίδεηαη θαη θπιά πξνο ηε ζεξκή πεξηνρή, γηα λα αληηθαηαζηήζεη ηνλ αέξα πνπ αλέβεθε ςειά. Η μεξά είλαη πην δεζηή από ην λεξό
ζηε δηάξθεηα ηεο εκέξαο (έρεη κηθξόηεξε εηδηθή ζεξκόηεηα) θαη (β) είλαη ςπρξόηεξε από ην λεξό ηε λύρηα, ώζηε ε θαηεύζπλζε ξνήο ηνπ αέξα αληηζηξέθεηαη (Hewitt, 1997).
Η δηάδνζε ζεξκόηεηαο κε κεηαθνξά είλαη αξθεηά πνιύπινθν θαηλόκελν θαη δελ ππάξρεη κηα ζπγθεθξηκέλε εμίζσζε πνπ λα ην πεξηγξάθεη. Μεξηθά πεηξακαηηθά δεδνκέλα έρνπλ δείμεη όηη ην ζεξκηθό ξεύκα ιόγσ κεηαθνξάο είλαη επζέσο αλάινγν πξνο ηελ επηθάλεηα. Απηόο είλαη ν ιόγνο πνπ ρξεζηκνπνηνύληαη κεγάιεο επηθάλεηεο ζηα ζώκαηα ζέξκαλζεο θαη ζηα πηεξύγηα ησλ ςπθηηθώλ ζπζηεκάησλ. Δπίζεο ην ημώδεο ησλ ξεπζηώλ παξεκπνδίδεη ηε θπζηθή κεηαθνξά θνληά ζε αθίλεηεο επηθάλεηεο δεκηνπξγώληαο έλα επηθαλεηαθό νξηαθό ζηξώκα πνπ γηα θαηαθόξπθε επηθάλεηα έρεη ηελ ίδηα κνλσηηθή ηθαλόηεηα όζν κηαο πιάθαο από μύιν πάρνπο 1,3 cm. Η εμαλαγθαζκέλε κεηαθνξά ειαηηώλεη ην πάρνο απηνύ ηνπ ζηξώκαηνο απμάλνληαο έηζη ην ξπζκό δηάδνζεο ηεο ζεξκόηεηαο. Απηόο είλαη ν ιόγνο πνπ αηζζαλόκαζηε ην θξύν πην έληνλα όηαλ θπζά παγσκέλνο αέξαο παξά όηαλ ππάξρεη άπλνηα, παξόιν όηη ε ζεξκνθξαζία θαη ζηηο δύν πεξηπηώζεηο είλαη ίδηα. Σέινο ην ζεξκηθό ξεύκα ιόγσ κεηαθνξάο έρεη βξεζεί όηη είλαη θαηά πξνζέγγηζε αλάινγν ηεο δηαθνξάο ζεξκνθξαζίαο κεηαμύ ηεο επηθάλεηαο θαη ηνπ θύξηνπ όγθνπ ηνπ ξεπζηνύ, πςσκέλεο ζηε δύλακε 5/4 (Young, 1992).
2.1.3 Αθηηλνβνιία
Η ζεξκόηεηα ηνπ Ήιηνπ πεξλά κε θάπνηνλ ηξόπν κέζα από ηελ αηκόζθαηξα θαη ζεξκαίλεη ηελ επηθάλεηα ηεο γεο. Η ζεξκόηεηα απηή δελ πεξλάεη από ηελ αηκόζθαηξα κε αγσγή, γηαηί ν
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 11
αέξαο είλαη από ηνπο ρεηξόηεξνπο αγσγνύο. Ούηε κε κεηαθνξά πεξλάεη γηαηί απηή αξρίδεη κόλν αθνύ δεζηαζεί ε γε. Ξέξνπκε πσο νύηε κεηαθνξά νύηε αγσγή είλαη δπλαηή ζην θελό δηάζηεκα πνπ ππάξρεη αλάκεζα ζηελ αηκόζθαηξα θαη ηνλ Ήιην. Η ζεξκόηεηα ζε απηή ηελ πεξίπησζε κεηαδίδεηαη κε άιιε δηαδηθαζία ηελ νπνία νλνκάδνπκε αθηηλνβνιία. Η αθηηλνβνιία αθνξά κεηαθνξά ελέξγεηαο πνπ ζπλδέεηαη κε κεγάιε πνηθηιία θνηλώλ θαηλνκέλσλ όπσο είλαη ε ξαδηνθσλία, ε ηειεόξαζε, νη ηαηξηθέο αθηίλεο Υ θαη ην θώο ηνπ Ήιηνπ. Η αθηηλνβνιία κπνξεί λα νξηζηεί σο ε κεηαθνξά ελέξγεηαο ζην ρώξν κε ηνπο γξήγνξνπο παικνύο ησλ ειεθηξνκαγλεηηθώλ πεδίσλ. Οη παικνί δηαδίδνληαη κε ηε κνξθή θπκάησλ πνπ νλνκάδνληαη ειεθηξνκαγλεηηθά θαη ραξαθηεξίδνληαη από ην κήθνο θύκαηνο θαη ηε ζπρλόηεηα. Σν θώο ηνπ Ήιηνπ είλαη ειεθηξνκαγλεηηθά θύκαηα πνπ κπνξνύλ λα κεηαθέξνπλ ελέξγεηα δηα κέζνπ ηνπ θελνύ θαη δηαδίδνληαη κε ηελ ηαρύηεηα ηνπ θσηόο. Σα θύκαηα παξάγνληαη από δνλνύκελα ή επηηαρπλόκελα ειεθηξόληα. Η ζεξκηθή ελέξγεηα ελόο ζώκαηνο πνπ αθηηλνβνιεί κεηαηξέπεηαη ζε αθηηλνβνινύκελε ελέξγεηα ηε ζηηγκή ηεο αθηηλνβνιίαο. Η ζεξκηθή ελέξγεηα ηνπ Ήιηνπ κεηαηξέπεηαη ζε αθηηλνβνινύκελε ελέξγεηα θαη δηαδίδεηαη ζηε κνξθή απηή κέζα ζην δηάζηεκα κε ειεθηξνκαγλεηηθά θύκαηα θαη όηαλ πέζεη πάλσ ζε έλα αληηθείκελν κεηαηξέπεηαη θαη πάιη ζε ζεξκηθή ελέξγεηα. ην ρώξν αλάκεζα ζην ζώκα πνπ αθηηλνβνιεί θα ζε απηό πνπ δέρεηαη ηελ αθηηλνβνιία ππάξρεη κηα κνξθή ελέξγεηαο δηαθνξεηηθή από ηε ζεξκηθή ή εθείλε ηεο κνξηαθήο θίλεζεο. Η αθηηλνβνιία είλαη ε δηάδνζε ηεο αθηηλνβνινύκελεο ελέξγεηαο θαη όρη ηεο ζεξκόηεηαο (Hewitt, 1997).
ια ηα ζώκαηα ζηηο ζπλήζεηο ζεξκνθξαζίεο εθπέκπνπλ ελέξγεηα κε ηε κνξθή ειεθηξνκαγλεηηθήο αθηηλνβνιίαο. ηηο ζπλήζεηο ζεξκνθξαζίεο όιε ζρεδόλ ε ελέξγεηα εθπέκπεηαη κε ππέξπζξα θύκαηα όπνπ ην κήθνο θύκαηνο είλαη πνιύ κεγαιύηεξν από εθείλν ηνπ νξαηνύ θσηόο. Ο ξπζκόο εθπνκπήο ηεο ελέξγεηαο από ηελ επηθάλεηα ηνπ ζώκαηνο είλαη αλάινγνο ηνπ εκβαδνύ ηεο επηθάλεηαο A. Ο ξπζκόο απηόο απμάλεη ηαρύηαηα κε ηε ζεξκνθξαζία θαη ζπγθεθξηκέλα ζύκθσλα κε ηελ ηέηαξηε δύλακε ηεο απόιπηεο ζεξκνθξαζίαο. Δμαξηάηαη επίζεο από ηε θύζε ηεο επηθάλεηαο. Η εμάξηεζε απηή πεξηγξάθεηαη κέζσ κηαο πνζόηεηαο eπνπ νλνκάδεηαη ζπληειεζηήο εθπνκπήο. Πξόθεηηαη γηα έλαλ αδηάζηαην αξηζκό κεηαμύ 0 θαη 1 πνπ παξηζηάλεη ην ιόγν ηνπ ξπζκνύ εθπνκπήο από ηε ζπγθεθξηκέλε επηθάλεηα πξνο ηνλ ξπζκό εθπνκπήο από κηα ηδαληθή επηθάλεηα ίζνπ εκβαδνύ θαη ίδηαο ζεξκνθξαζίαο. Σν e εμαξηάηαη σο έλα βαζκό από ηε ζεξκνθξαζία. Σν ζεξκηθό ξεύκα H= dQ/dtιόγσ αθηηλνβνιίαο από επηθάλεηα A κε ζπληειεζηή εθπνκπήο eθαη απόιπηε ζεξκνθξαζία T, κπνξεί λα εθθξαζηεί από ηε ζρέζε:
Γηπισκαηηθή Δξγαζία 12
πνπ ζ είλαη κηα ζεκειηώδεο θπζηθή ζηαζεξά, ε ζηαζεξά ησλ Stefan-Boltzmann. Ο ζπληειεζηήο εθπνκπήο eείλαη ζπλήζσο κεγαιύηεξνο γηα επηθάλεηεο κε ζθνύξν παξά αλνηρηό ρξώκα. Η ηηκή ηνπ γηα κηα ιεία ράιθηλε επηθάλεηα είλαη πεξίπνπ 0,3 ελώ γηα κηα καύξε ζακπή επηθάλεηα πξνζεγγίδεη ηε κνλάδα (Young, 1992).
Οη αθηηλνβνιίεο πνπ εθπέκπνληαη από ηα ζώκαηα δελ είλαη όιεο ίδηεο αθνύ ην κήθνο θύκαηνο εμαξηάηαη από ηε ζεξκνθξαζία ηεο πεγήο. ηαλ ε ζεξκνθξαζία ελόο αθηηλνβνινύληνο ζώκαηνο αλεβαίλεη, ε παικηθή θίλεζε ησλ ειεθηξνλίσλ ζηα άηνκα θαη ζηα κόξηα ηεο πεγήο απμάλεηαη θαη εθπέκπνληαη δνλήζεηο κε κηθξόηεξν κήθνο θύκαηνο. Απηό κπνξεί λα γίλεη θαηαλνεηό αλ θαληαζηνύκε όηη θξαηάκε ηελ άθξε ελόο ζθνηληνύ δεκέλνπ ζε έλαλ καθξηλό ηνίρν (ρήκα 3). ηαλ θνπλάκε αξγά ην ζθνηλί πάλσ – θάησ (ρακειή ζεξκνθξαζία) καθξηά θύκαηα δηαηξέρνπλ ην ζθνηλί, ελώ όηαλ ην θνπλάκε δσεξά (πςειή ζεξκνθξαζία) ηα θύκαηα θαηά κήθνο ηνπ ζθνηληνύ πνιιαπιαζηάδνληαη θαη γίλνληαη θνληόηεξα ζε κήθνο. Σα ζώκαηα ζηε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ εθπέκπνπλ θύκαηα καθξύηεξα ελώ έλα θνκκάηη θαπηό ζίδεξν εθπέκπεη βξαρύηεξα θύκαηα. ζν αλεβαίλεη ε ζεξκνθξαζία ελόο ζώκαηνο πνπ αθηηλνβνιεί ηόζν βξαρύηεξα θύκαηα εθπέκπεη. ε πςειέο ζεξκνθξαζίεο ηα ζώκαηα αθηηλνβνινύλ κηα πνηθηιία θπκάησλ θαη όηαλ θάπνην άιιν πιηθό απνξξνθήζεη απηά ηα θύκαηα, ηα ειεθηξόληα ηνπ αξρίδνπλ λα δνλνύληαη θαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ αλεβαίλεη.
Αλ πάλσ ζην δέξκα καο πέζεη αθηηλνβνιία ζηα κήθε θύκαηνο ηνπ ππέξπζξνπ ηόηε κπνξεί λα δηεγείξεη ηελ αίζζεζε ηεο ζεξκόηεηαο. Με ηνλ ηξόπν απηό ε ζεξκόηεηα δηαδίδεηαη από ην ζώκα πνπ αθηηλνβνιεί ζην ζώκα πνπ ηε δέρεηαη (Hewitt, 1997).
Καζώο ην ζώκα ζε απόιπηε ζεξκνθξαζία Σ αθηηλνβνιεί, ην πεξηβάιινλ ηνπ ζε απόιπηε ζεξκνθξαζία Σπ επίζεο αθηηλνβνιεί, θαη ην ζώκα απνξξνθά κέξνο απηήο ηεο αθηηλνβνιίαο.
Αλ ζώκα θαη πεξηβάιινλ βξίζθνληαη ζε ζεξκηθή ηζνξξνπία, νη ξπζκνί εθπνκπήο θαη απνξξόθεζεο πξέπεη λα είλαη ίζνη. Γηα λα αιεζεύεη απηό ν ξπζκόο απνξξόθεζεο ζα πξέπεη λα δίλεηαη από κηα ζρέζε ηεο κνξθήο H = AeζTπ2. Ο ηειηθόο ξπζκόο αθηηλνβνιίαο από έλα ζώκα ζε ζεξκνθξαζία Tκε ην πεξηβάιινλ ζε ζεξκνθξαζία Tπ, είλαη Hηει= AeζT4 –AeζTπ4
= Aeζ(T4 –Tπ4
). Θεηηθό Hζεκαίλεη όηη ην ηειηθό απνηέιεζκα είλαη εθξνή ζεξκόηεηαο από ην ζώκα. Η παξαπάλσ ζρέζε δείρλεη όηη όπσο ζηηο πεξηπηώζεηο αγσγήο θαη κεηαθνξάο έηζη θαη ζηελ αθηηλνβνιία ην ζεξκηθό ξεύκα εμαξηάηαη από ηε δηαθνξά ζεξκνθξαζίαο κεηαμύ δύν ζσκάησλ (Young, 1992).