Сончева константа

Презентација/есеј (училиште) 2001 година 10 страници

одредување сончевата константа

Примерок за читање

Структура:

1. Сончева и сончева константа

2. Различни методи за одредување на сончевата константа
2. 1. Пример за експеримент 1 - Слободен експеримент
2. 2. Експериментален пример 2 - Одредување на сончевата константа
2. 2. Пример за експеримент 3 - мерење на сончевата константа

3-ти експеримент - одредување на сончевата константа
3. 1. Задача
3. 2. Преглед
3. 3. Имплементација
3. 4. Табели со измерена вредност
3. 5. Евалуација
3. 6. Разгледување на грешките

1. Сончева и сончева константа

Енергијата што Сонцето зрачи секој час, секој ден - што постојано ја емитува, не е само од астрономски интерес, бидејќи ова излезно зрачење го одредува животот на земјата. Lifeивотот на нашата планета не би бил можен без сонцето како извор на енергија. Во моментов, она што го грееше сонцето во минатото се користи како извор на енергија: сурова нафта, природен гас, дрво и јаглен.

Она што се зрачи од сонцето е прилично тешко да се измери од површината на земјата, бидејќи земјината атмосфера апсорбира значителен дел од зрачењето дури и во најјасните денови на високите планини, вклучително и во видливиот опсег. Покрај тоа, атмосферата на земјата е целосно непропустлива од ултравиолетовото и инфрацрвеното зрачење во големи области. Дури и со највнимателна корекција на овие ефекти, мерењата од површината на земјата се полни со грешки кои ја надминуваат границата од еден процент. Пред неколку децении, резултатите од мерењето се разликуваа до пет проценти, а понекогаш, дури и само во ретки случаи, неизвесностите во мерењето беа пријавени како вистински флуктуации на излезот на сончевото зрачење.

Додека денес зрачената енергија се дава во вати на метар квадратен, единицата калорија по квадратен сантиметар и минута порано беше вообичаена. Двете единици лесно можат да се спојат една во друга. Калоријата е описна количина: Тоа укажува на количината на топлина што еден грам вода се загрева за еден степен. Тековната единица на енергија е еден џул, единицата на моќност - т.е. енергија по време - еден вати.

Точната дефиниција на сончевата константа денес е: Сончевата константа е проток на енергија што произлегува од сонцето, кој секоја секунда продира во единица површина (1 м²) ориентирана нормално на правецот на зрачење на растојание од 1 AU од сонцето.

Соодветно на тоа, вистинската сончева константа може да се измери само од земјата.

Поновите мерења на моќноста на сончевото зрачење беа извршени од сателити. Подолга серија мерења, извршени на Соларната максимална мисија (СММ) во раните 1980-ти, ја покажа сончевата константа (на ниво на морето) S = 1,367 вати на метар квадратен - претворена во постара единица: 1,96 калории на сантиметар квадратен и минута. Ова одговара на тековната работа на топла плоча на шпоретот или пегла.

Сепак, оваа вредност веќе флуктуира на земјата, на надморска височина од 3.400 m, сончевата константа е, на пример, 1,6 kW/m², бидејќи атмосферата станува сè потенка и потенка и затоа апсорпцијата станува сè помала и помала. Надвор од земјината атмосфера во орбита во близина на земјата, таа е дури 1,9 kW/m².

Во овој контекст се поставува интересно прашање: Колку квадратни метри простор би требало на секој граѓанин за да ги покрие сите свои енергетски потреби? Статистичките податоци за 1992 година покажуваат вкупна потрошувачка од 409 милиони тони единици на тврд јаглен во западна Германија. Тоа е 6,3 тони СКЕ по жител или еквивалентно на 51,400 киловат часови по жител годишно. Вредноста од 50.000 киловат часови е далеку поголема од износот што се појавува на сметката за електрична енергија во домаќинствата, бидејќи ја вклучува целата потрошувачка на енергија во индустријата. Вклучувајќи го, во скоро 8.800 часа во годината, неопходната моќ што секој граѓанин ќе треба да ја направи достапна во секунда е 5,9 киловати. Сонцето испорачува 1,4 киловати на метар квадратен, така што на секој граѓанин ќе му биде потребна површина од 4,3 квадратни метри за потрошувачка на енергија. Дури и во густо населената Германија со над 250 жители на квадратен километар, секој граѓанин има на располагање 3.800 квадратни метри, односно површина е скоро 1.000 пати поголема од потребната за потрошувачка на енергија.

Се разбира, овие бројки се преценети, бидејќи енергијата ја користи и нечовечката природа; се претпоставуваше дека денот е 24 часа; не беше земено предвид дека одредена енергија се апсорбира во атмосферата. Сепак, проценката може да покаже дека енергијата зрачена од сонцето е далеку доволна за да ги задоволи сите потреби на човештвото засекогаш. Само мал дел од расположливиот простор би бил потребен за поставување на површини за примање за претворање на сончевата енергија во вообичаени форми на енергија. Употребата на сончева енергија ќе биде предизвик за не толку далечна иднина, бидејќи изворите на фосилна енергија се ограничени, а нуклеарната енергија се покажа како проблематична. Како и да е, еколошките и регенеративни методи за генерирање енергија од сонцето, сончевата топлинска енергија и фотоволтаиците, сè уште не се соодветни за покривање на нашата потрошувачка на енергија. Нивната ефикасност е премала, а добиената потрошувачка на простор е преголема

Можеби еден ден ќе имаме пристап до методот на производство на енергија што го користи сонцето за да произведе толку огромни количини на енергија, нуклеарна фузија. Истражувачите претпоставуваат дека првата централа со нуклеарна фузија на земјата ќе се појави на Интернет за околу 30 години.

Но, колку е постојана сончевата константа, т.е. енергијата што постојано се зрачи со нас? Со недели и месеци, флуктуациите се помалку од една на илјада.

Поголемите краткорочни флуктуации од неколку промилии може да се припишат на зголемената појава на сончеви дамки. Долгорочните ефекти не можат да се докажат со сигурност. Може да има мали промени од околу 0,1% во рамките на еден циклус на сончеви дамки. Во контекст на денешната многу висока точност на мерењето, може да се претпостави дека сончевата константа е вистинска константа, под услов ефектите на elвездената еволуција во опсег од милиони, па дури и милијарди години да не се земат предвид.

2. Различни методи за одредување на сончевата константа

Сите експерименти наведени овде во основа ја следат истата шема. Едно тело се загрева или се загрева со сончево зрачење, ова затоплување се мери и сончевата константа се пресметува од енергијата потребна за затоплувањето. Се разбира, точната вредност за сончевата константа не може да се одреди во ниту еден од следниве експерименти. Изворите на грешка се премногу сериозни за тоа.

2. 1. Пример 1 - Слободен експеримент за одредување на сончевата константа

Првиот експериментален пример, кој сакам да го додадам овде, не е експеримент со кој сончевата константа може прецизно да се одреди, туку е експеримент во кој, како што не е вообичаено во физиката, зависи од чувството и погодувањето. Но, тоа може да се спроведе со многу малку ресурси.

Потребна ви е пробана личност, сијалица и сантиметарски владетел. Покрај тоа, се разбира, сонцето треба да свети, малку ветер исто така би бил од корист.

Имплементација: На лицето на тестот му е дозволено да го сјае сонцето на еден образ. Другото е осветлено со сијалицата. Светилката се користи за приближување на голиот образ сè додека испитното лице не помисли дека и двата образи се загреваат подеднакво. Треба да ги држи очите затворени додека го прави ова.

Сега измерете го растојанието r од центарот на светилката до образот и прочитајте ја моќноста P на ламбата со блескаво светло.

Сега е време да се пресмета. Да претпоставиме дека е прочитана P ламба за напојување = 60 W и е измерен радиус r = 7 cm. Светилката тогаш ќе го озрачи образот од растојание од 7 см исто толку силно како сонцето од 150 000 000 000 километри. Тој би ја распределил својата моќ рамномерно низ областа на сфера со радиус r = 7 cm, што го замислуваме околу ламбата (образот на испитаникот е парче од оваа сферична област). Оваа сфера има површина

Ламба = 4 x p x r² = 4 x 3,14 x (7 cm) ² = 615 cm².

Бидејќи и двата образа се загреваа подеднакво, сонцето исто така ќе испратеше 60 вати на околу 0,0615 м² површина за собирање.

Сега можете да ги користите вашите мерења за да пресметате колкава моќност има сонцето на еден квадратен метар од површината на земјата.

P ламба: Ламба = P сонце: 1 m²

Откако ќе ги вметнете примерите и ќе ја промените равенката според P сонцето, добивате вредност за излезот на сонцето, што истовремено ја означува сончевата константа, бидејќи е пресметан излезот по квадратен метар, од 976 W/m² (за примероците што се избрани тука).

2. 2. Пример 2 - Одредување на сончевата константа

За вториот експериментален пример, ви треба значително повеќе и повеќе специјализирана опрема отколку за првиот. Но, овој експеримент е исто така понаучен и дава попрецизни вредности.

Потребна ви е зацрнета, електрична рингла, извор на напон и мерен уред за напон и еден за струја.

Спроведувањето на експериментот е поделено на два обида:

Експеримент 1: Поцрнетата плоча е ориентирана нормално на инцидентното сончево зрачење. Се мери првично зголемувањето на температурата на ринглата, евидентирана е температурата на рамнотежата Т, која е конечно утврдена,.

Експеримент 2: Сега плочата е електрично загреана без изложување на сончева светлина. Напонот е поставен на таков начин што се поставува истата температура Т како и порано за време на сончевото зрачење. Штом ова е постигнато, напонот и струјата се читаат од мерните уреди.

Производот на јачина на напон и струја ја дава електричната моќност P, што е точно исто како и моќноста што предизвика плочата да се загрева со сончево зрачење. Ако е позната областа А на ринглата, соларната константа S - со отстапување како резултат на влијанието на земјината атмосфера - се добива од S = P: A.

Се разбира, и во овој експеримент се мери вредност за сончевата константа што е под реалниот излез на сонцето. Ова повторно може да се објасни со атмосферска апсорпција, која апсорбира дел од енергијата. Но, ветерот исто така може да има нарушувачки ефект врз експериментот, бидејќи ја пренесува топлинската енергија далеку од плочата за греење.

2. 3. Пример за експеримент 3 - мерење на сончевата константа

Овој обид може да се најде во многу книги за астрономија и физика. Дизајниран е на таков начин што може да се изведува на час без никакви проблеми.

За овој експеримент ви треба колба Ерленмаер исполнета со вода или сличен сад, а ви треба и течен термометар.

Пред да се спроведе експериментот, треба да се направат некои подготовки. Прво се утврдува масата на колбата Ерленмаер, ова е потребно за проценка. После тоа, потребно е да се одреди волуменот на количината на вода со која се полни колбата. Конечно, дното на колбата Ерленмаер е поцрнето со пламен или нешто слично и се пресметува неговата површина А.

Да се ​​изврши: Колбата Ерленмаер исполнета со вода во која е потопен термометарот е усогласена со зацрнетото дно нормално на инцидентното сончево зрачење. Дојденото зрачење е скоро целосно апсорбирано од црната област А и доведува до едно од времетраењето на експериментот? t зависно зголемување на температурата? Т вода и колба. Вкупната енергија на зрачење S што пристигнува на време? Т мора да се мери како зголемување на топлинската енергија на вода и колба:

каде топлинските капацитети C на аранжманот произлегуваат од специфичните топлински капацитети и маси на вода и стакло:

C = c w m w + c gl m gl.

Соларната константа може да се пресмета со користење на следнава формула:

S = (C? T)/(A? T)

Тестовите извршени на овој начин резултираат со вредности од околу 1.000 W/m² за S.

И тука мора да се земе предвид дека дел од сончевото зрачење се апсорбира во атмосферата и загубите на енергија се јавуваат кога се спроведува експериментот и се поставува експериментот, така што вистинската вредност на сончевата константа мора да биде поставена поголема.

3-ти експеримент - одредување на сончевата константа

3. 1. Задача

Задачата беше да се измери сончевата константа што е можно попрецизно со уредот изграден од г. Кликс во текот на годишната работа во астрономијата.

3. 2. Преглед

Пред сè, ќе опишам како е конструиран уредот и што мора да се земе предвид пред мерењата.

Уредот се состои од дрвена рамка дизајнирана да биде подвижна за да може да биде ориентирана нормално на сончевото зрачење. На оваа рамка има пластичен цилиндар во кој има алуминиумски цилиндар, добро заштитен од загуба на топлина со стиропор, тој е црн за да може да апсорбира голем дел од зрачечката енергија. Термометар со жива со многу прецизна скала ја мери неговата температура. Пред мерењата, се дава малку вода низ отворот за термометарот; служи како термичка спојка помеѓу алуминиумот и термометарот. Предната површина на пластичниот цилиндар е маскирана со рефлектирачки филм за да го рефлектира сончевото зрачење што сјае на просторот надвор од црната област.

Пред да започнат мерењата, треба да се направат некои подготовки. Прво, мора да се одреди масата и специфичниот топлински капацитет на алуминиумскиот цилиндар. Последново може да се најде во секоја табела и е: cAl = 0,9 kJ/(kg · K) -1. Бидејќи недостасуваа прецизни информации за структурата на уредот, определувањето на масата на алуминиумскиот цилиндар беше полн со проблеми и како резултат на неточности. По утврдување на волуменот, пресметана е маса mAl 116 g. Следно, беше утврдена црната област А со површина од A = 10 cm² (претворена за понатамошните пресметки: A = 0,0010 m²).

Покрај мерниот уред, потребен е часовник за мерење на временската разлика t.

3. 3. Имплементација

Пред секое мерење, малку вода (како што е опишано погоре) се става во уредот. Чекате неколку минути додека не се постави почетната температура T0. Тогаш уредот е порамнет нормално на сончевото зрачење и започнува часовникот. Ако термометарот покаже зголемување на температурата за еден степен, дали ова и временската разлика ќе бидат? т постави. Тогаш уредот е порамнет нормално на сончевото зрачење и започнува часовникот. Кога термометарот покажува пораст на температурата

3. 4. Табела со измерена вредност

Слика не е вклучена во овој екстракт

Пресметаните вредности на сончевата константа се веќе вметнати во табелата со цел подобар преглед (за пресметка види евалуација).

3. 5. Евалуација

Влезната енергија од зрачење се апсорбира од црната област А и доведува до зголемување на температурата? Т алуминиум во временската разлика? Т.

Соларната константа може да се одреди со користење на следнава формула:

S = (mAl cAl? T): (A? T)

Вредностите за површината A на црната површина, масата mAl на алуминиумскиот цилиндар и топлинскиот капацитет cAl на алуминиумот се познати од прегледот и преостанатите вредности за почетната температура T0, временската разлика? T и температурната разлика? T може да се земат од табелата за измерени вредности. Во кој? T е разликата помеѓу моменталната температура T и почетната температура T0.

Просечната сончева константа SØ, одредена од сите вредности за S, е SØ =

1.030 W/m², многу повеќе тешко може да се измери од Земјата и затоа ова е прифатлива вредност.

3. 6. Разгледување на грешките

Изворите на грешка во овој експеримент се повеќекратни, како што се: Дисипација на топлина од ветер, атмосферска апсорпција и непрецизна маса на алуминиумското тело се некои од нив. Колку е силно дисипирањето на топлината со помош на ветер може да се види во мал пример: Кога се сончате, кога сонцето силно грее, наскоро добивате чувство на топлина на вашата кожа, но штом се појави малку ветер, ова чувство исчезнува многу брзо. Бидејќи алуминиумот е добар спроводник на топлина, тој дава топлинска енергија исто толку брзо колку што ја апсорбира.

Покрај тоа, уредот протекувал и со тоа изгубил вода, што значи дополнителна загуба на топлина.

Најтрајниот ефект врз експериментот е што точните големини на јадрото на уредот, алуминиумскиот цилиндар, не беа познати.

Бекише серија Волфганг Матиг - Учебник за сонцето - основен курс по астрономија