Zadania trudniejsze
Pewne wahadło wykonano z podlegającego rozszerzalności cieplnej pręta o długości o pomijalnej masie oraz z ciężarka o pomijalnym rozmiarze.
- Udowodnij, że gdy temperatura wzrośnie o , to okres drgań wahadła zwiększy się razy;
- Zegar z mosiężnym wahadłem pokazuje poprawny upływ czasu w temperaturze . Czy w temperaturze będzie chodził wolniej, czy szybciej? Ile wynosi jego błąd w sekundach na dzień?
W temperaturze kilkuset kelwinów pojemność cieplna miedzi jest w przybliżeniu opisana empirycznym równaniem , gdzie , , a . Ile ciepła należy dostarczyć, aby podnieść temperaturę miedzi od do ?
W kalorymetrze o pomijalnej pojemności cieplnej znajduje się pary wodnej w temperaturze oraz lodu o temperaturze . Ciśnienie jest stale utrzymywane na poziomie . Ile wynosi temperatura końcowa oraz ile lodu, wody i pary wodnej pozostanie w kalorymetrze?
Astronauta na spacerze kosmicznym jest osłonięty od Słońca i ubrany w kombinezon kosmiczny, który można uznać za doskonale biały () poza małą łatką z materiału w postaci flagi narodowej o rozmiarach . Łatka ma zdolność emisyjną równą . Kombinezon pod łatką ma grubości, posiada przewodność cieplną , a temperatura jego wewnętrznej powierzchni wynosi . Ile wynosi temperatura łatki oraz jaka jest szybkość utraty ciepła przepływającego przez nią? Załóż, że łatka jest na tyle cienka, że jej zewnętrzna powierzchnia jest w tej samej temperaturze, co powierzchnia kombinezonu pod nią. Załóż także, że temperatura przestrzeni kosmicznej to . Uzyskane równanie będzie bardzo trudne do rozwiązania w sposób analityczny, dlatego możesz je rozwiązać w sposób numeryczny za pomocą kalkulatora graficznego, programu obliczeniowego lub metodą prób i błędów za pomocą zwykłego kalkulatora.
Celem tego zadania jest obliczenie przyrostu warstwy lodu w funkcji czasu. Oznacz grubość warstwy lodu przez .
- Wyznacz równanie na w zależności od , temperatury ponad lodem oraz właściwości lodu (które możesz pozostawić w formie symboli);
- Rozwiąż to równanie różniczkowe, zakładając, że w grubość lodu wynosi . Jeżeli znasz metody obliczania równań różniczkowych, przekształć równanie do formy pomnożone przez prostą funkcję z jednej strony równania. Scałkuj obie strony równania po czasie;
- Czy woda zamarznie do samego dna naczynia?
Oszacuj temperaturę Ziemi. Załóż, że planeta jest idealną kulą o jednorodnej temperaturze. Pomiń efekt cieplarniany. Promieniowanie cieplne Słońca ma natężenie (stała słoneczna ) równe około w odległości orbity ziemskiej.
- Zakładając, że promienie Słońca są równoległe, na jaką powierzchnię musi padać , by określić całkowite promieniowanie przechwytywane przez Ziemię? Najłatwiej będzie podać powierzchnię w zależności od promienia Ziemi ;
- Załóż, że Ziemia odbija ok. energii słonecznej, która na nią pada. Innymi słowy albedo Ziemi wynosi . Oblicz szybkość absorpcji promieniowania słonecznego przez Ziemię wyrażoną przez , oraz ;
- Oblicz temperaturę, przy której Ziemia wypromieniowuje energię z taką samą szybkością. Załóż, że w zakresie długości fal podczerwieni, w których Ziemia wypromieniowuje energię, jej zdolność emisyjna jest równa . Czy twój wynik pokazuje, że efekt cieplarniany jest ważny?
- Jak ten wynik zależy od wartości pola powierzchni Ziemi?
Rozwiąż poprzednie zadanie, uwzględniając tym razem w sposób uproszczony efekt cieplarniany. Załóż, że atmosfera jest pojedynczą warstwą – otaczającą Ziemię sferyczną powłoką o zdolności emisyjnej dla podczerwieni emitowanej przez Ziemię i atmosferę (parametry warstwy ustalono w ten sposób, aby uzyskać poprawny wynik). Efekt cieplarniany związany jest z faktem, że atmosfera ziemska jest przezroczysta dla światła widzialnego, ale dość mocno absorbuje promieniowanie podczerwone. W obliczeniach załóż, że do powierzchni Ziemi dociera jedynie światło widzialne ze Słońca. Załóż także, że promień atmosfery jest w przybliżeniu równy promieniowi Ziemi, ale skoro jest ona sferą wokół Ziemi, to promieniuje ona podczerwień zarówno w stronę powierzchni Ziemi, jak i w kierunku przestrzeni kosmicznej, zatem jej powierzchnia jest dwukrotnie większa niż powierzchnia Ziemi. Występują tu trzy strumienie promieniowania cieplnego: promieniowanie świetlne absorbowane przez Ziemię, promieniowanie podczerwone z powierzchni Ziemi, które absorbuje atmosfera zgodnie ze swoją emisyjnością, oraz promieniowanie podczerwone z atmosfery, z którego połowa absorbowana jest przez Ziemię, a druga połowa wypromieniowana w kierunku przestrzeni kosmicznej. Skorzystaj z metody rozwiązania zastosowanej w poprzednim zadaniu i znajdź równania opisujące powierzchnię Ziemi i atmosferę, a następnie wyznacz z nich dwie nieznane temperatury: powierzchni oraz atmosfery.
- Wyraź moc promieniowania podczerwonego powierzchni Ziemi w funkcji promienia ziemskiego, stałej oraz nieznanej temperatury powierzchni Ziemi ;
- Jaka jest moc promieniowania Ziemi absorbowanego przez atmosferę?
- Wyraź moc promieniowania podczerwonego atmosfery jako funkcję jej temperatury ;
- Zapisz równanie, które mówi, że moc promieniowania, jakie atmosfera absorbuje z Ziemi, równa jest mocy promieniowania, jakie atmosfera emituje;
- Połowa mocy wyemitowanej przez atmosferę dociera do Ziemi. Zapisz równanie, które mówi, że moc promieniowania, jakie absorbuje Ziemia z atmosfery oraz ze Słońca, równa jest mocy, jaką Ziemia emituje;
- Rozwiąż oba równania według nieznanej temperatury Ziemi.