До какой температуры нагревается металл на солнце
Обновлено: 04.07.2024
Привет всем.
Вопрос прозвучал двусмысленно и наверное некоторые прочитав его подумали, что нагрев будет происходить на самой звезде - Солнце.
Нет.
Имеется ввиду пластина металла, толщиной например 3 мм., что лежит на поверхности нашей родной Земли в солнечный день.
Лежит перпендикулярно Солнцу, т. е. идёт минимальное отражение (?) и цвет металла чёрный.
Температура окружающего воздуха например +30*С.
Сквозняков и других внешних воздушных потоков, охлаждающих пластину нет, только конвекция за счёт отдачи тепла материалом окружающему воздуху (воздух нагревается от металла и как более лёгкий по отношению к окружающему, поднимается вверх).
В горах одной южной страны граничащей с Таджикистаном, в песке яйца пекли. Думаю зависит от широты местонахождения.
В реальных условиях он может и не нагреться много выше температуры воздуха. т. к. металлы нихера не черные, как ты предлагаешь считать, а хорошо отражают.
А очень гипотетически (считать, что он черный, избавится от конвекции и потери тепла посредством излучения, создать полнейший вакуум) он нагреется до температуры источника нагрева, т. е. поверхности Солнца.
Это зависит от поглощательной способности пластины.
Абсолютно черное тело под тропическим солнцем нагреется до 70 градусов.
Если металлическая пластина отполированная, то ее отражательная способность не позволит ей нагреться до этой температуры.
Не зависит. С одной стороны, поглощаемая мощность пропорциональна коэффициенту поглощения поверхности. С другой, мощность теплового излучения также пропорциональна коэффициенту поглощения. Результат - Т при которой устанавливается равновесие (мощность поглощаемая = мощности теплового излучения) не зависит от поглощающих свойств поверхности.
Равновесная Т установится, когда
мощность поглощения = мощности теплового излучения.
С одной стороны
W поглощения = Коэф. Погл. х W солнца
Т. е. хорошо отражает - мало поглощает
С другой стороны
W теплового излучения = Коэф. Погл х (пост. Стеф. Больцмана) Т^4
Т. е. хорошо отражает - излучает плохо.
Результат - равновесная Т не зависит от коэффициента поглощения (отражения)
Да по-другому и быть не может. Две пластины в вакууме (например, 1х1м на расстоянии 1 см) из разного материала придут к тепловому равновесию - к одной температуре.
Именно из этого условия и получается, что мощность теплового излучения пропорциональна коэф. поглощения.
Пришелец Просветленный (37593) Т=корень 4 степени из (Е/(ε * σ) где Е=800 Вт/м2 - плотность потока излучения тела (что поглощает, то и излучает, для АЧХ) ε - коэфф. поглощения =1 для АЧТ σ=5,67*10^-8 . - постоянная Стефана-Больцмана Вот измените коэффициент поглощения, разве температура не изменится?
Будем считать, что конвекции и теплопроводности нет. Тогда единственный канал "охлаждения" поверхности - тепловое излучение.
Закон Стефана-Больцмана дает мощность теплового излучения с 1м2 поверхности
5.67 е-8 Т^4 Вт/м2 (температура в Кельвинах)
У границы атмосферы Земли мощность солнечного излучения 1350 Вт/м2 (до 1450 зимой)
Потери в атмосфере - и на поверхности от 960 до 1100 Вт/м2 (в горах мощнее)
Расчеты дают следующее (мощность теплового от Т)
T=70 С W=785 Вт/м2
T=80 С W=880 Вт/м2
T=90 С W=985 Вт/м2
T=100 С W=1100 Вт/м2
T=110 С W=1220 Вт/м2
Выводы делаем сами.
Существенно, что от коэффициента поглощения равновесная температура не зависит. Поэтому, и песок, и сковородка (черная) на нем и лист металла (хорошо отражает) и кусок дерева прогреются на одну температуру (смотри комент пришельцу).
Если есть конвекция - появляется еще один канал "охлаждения". Равновесная температура снизится. Этот канал легко ликвидировать - положить сверху стекло или прозрачный п/э. Сковородку с отмытой стеклянной крышкой - можно попробовать до 90-100 нагреть.
До какой температуры способен нагреться металл на Солнце?
До какой температуры нагревается металл на солнце
ГОСТ Р 53615-2009
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРИРОДНЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА
The influence of environmental conditions appearing in nature on the technical products. Overall performance. Solar radiation and temperature
ОКП 31 0000-52 0000
Дата введения 2011-01-01
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 341 "Внешние воздействия" на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 341 "Внешние воздействия"
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту МЭК 60721-2-4:1987* "Классификация внешних условий. Часть 2. Природные внешние условия. Солнечное излучение и температура" (IEC 60721-2-4:1987 "Classification of environmental conditions. Part 2: Environmental conditions appearing in nature. Solar radiation and temperature") с дополнениями, отражающими потребности национальной экономики (выделены курсивом**): уточнением наименования стандарта, области его применения, уточнением терминологии, увязкой показателей, установленных в МЭК 60721-2-4, с показателями, установленными в группе межгосударственных стандартов по статистическим параметрам климатов земного шара, и со стандартами технических требований (ГОСТ 15150) и методов испытаний.
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.
** В бумажном оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов в разделе "Предисловие" приводятся обычным шрифтом, остальные по тексту документа выделены курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5)
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
Введение
Настоящий стандарт входит в комплекс стандартов, определяющих требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части внешних воздействующих факторов.
Настоящий стандарт относится к группе стандартов, описывающих природные внешние условия в справочной форме, пригодной для установления конкретных требований к техническим изделиям; эти требования нормированы в других стандартах данного комплекса.
Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту МЭК 60721-2-4:1988* "Классификация внешних воздействующих факторов. Часть 2: Природные внешние условия. Солнечное излучение и температура" с дополнениями, указанными в предисловии.
________________
* Номер стандарта соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных
Стандарты МЭК, устанавливающие условия эксплуатации, транспортирования и хранения изделий, объединены Публикацией МЭК 60721 "Классификация внешних воздействующих факторов", состоящей из трех частей:
60721-1 "Параметры окружающей среды и их жесткости";
60721-2 "Природные внешние воздействующие факторы". Эта часть состоит из нескольких стандартов - глав, обобщающих сведения о действии различных климатических факторов на технические изделия;
60721-3 "Классификация групп параметров окружающей среды и их жесткостей". Эта часть состоит из нескольких стандартов-глав для различных групп изделий (защищенных и не защищенных от воздействия наружного климата стационарных изделий, а также переносных, передвижных наземных и судовых, транспортируемых, хранящихся), устанавливающих климатические классы условий эксплуатации, их привязку к типам климатов по МЭК 60721-2-1, а также классы по воздействию других видов внешних факторов (например, механическому, биологическому и воздействию агрессивных сред).
Стандарт МЭК 60721-2-1:2002 "Классификация внешних воздействующих факторов. Часть 2. Природные внешние воздействующие факторы. Температура и влажность" ("Classification of environmental conditions. Part 2: Environmental conditions appearing in nature. Temperature and humidity"); соответствие между типами климатов по МЭК 60721-2-1 и типами климатов и макроклиматов - по ГОСТ 15150, приложение 12.
Стандарты МЭК серии 60721 (последние издания) устанавливают требования к изделиям в зависимости от условий их эксплуатации, транспортирования и хранения. До разработки стандартов МЭК серии 60721 подобные требования были установлены стандартами испытаний, например серии 60068, в виде параметров испытательных режимов в отрыве от условий эксплуатации.
Однако, несмотря на принципиально правильный подход к требованиям в части внешних воздействующих факторов, стандарты МЭК в конкретных технических решениях обладают рядом недостатков, что требует их корректировки.
Эти недостатки являются одной из причин того, что указанные стандарты МЭК пока не использованы соответствующими техническими комитетами МЭК для введения в стандарты МЭК на группы изделий (из серии 60721 не введен практически ни один, стандарты МЭК серии 60068 не введены в стандарты на сильноточные и крупногабаритные изделия).
Таким образом, в настоящее время невозможно полное использование стандартов МЭК по внешним (в частности, по климатическим) воздействиям в качестве национальных и межгосударственных стандартов стран Содружества Независимых Государств.
Настоящая часть МЭК 60721 предназначена для использования как основополагающий материал при выборе требуемых жесткостей параметров, относящихся к солнечному излучению, применительно к техническим изделиям.
1 Область применения*
* Наименование пункта 1 в бумажном оригинале выделено курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
Настоящий стандарт распространяется на машины, приборы и другие технические изделия всех видов (далее - изделия) и устанавливает описание действия солнечного излучения (солнечного излучения как природного явления) на изделия, его характерные средние значения в целях установления требований к изделиям по стойкости к воздействию солнечного излучения при их хранении, транспортировании и эксплуатации (ГОСТ 15150) и выбору методов соответствующих испытаний изделий (ГОСТ Р 51370), а также увязку указанных показателей с показателями, установленными в группе стандартов по статистическим параметрам климатов земного шара.
Стандарт используют дополнительно к соответствующим требованиям, установленным в ГОСТ 15150.
Аутентичный текст замененных разделов МЭК 60721-2-4:2002 - в приложении В.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 51370-99 Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытание на воздействие солнечного излучения
ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды
ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей
ГОСТ 24482-80 Макроклиматические районы земного шара с тропическим климатом. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей
ГОСТ 25650-83 Климат Антарктиды. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей
ГОСТ 25870-83 Макроклиматические районы земного шара с холодным и умеренным климатом. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей
ГОСТ 26883-86 Внешние воздействующие факторы. Термины и определения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения*
* Наименование пункта 3 в бумажном оригинале выделено курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
3.1 В настоящем стандарте применены термины, относящиеся к общим понятиям в области внешних воздействующих факторов: по ГОСТ 15150, ГОСТ 16350, ГОСТ 26883.
3.2 Термины, используемые в настоящем стандарте, в основном определены в 3.1. Дополнительно в настоящем стандарте применены термины:
3.2.1 энергетическая суточная экспозиция: Энергия облучения, получаемая объектом в течение суток.
3.2.2 интегральное солнечное излучение: Излучение, содержащее весь спектр длин волн солнечного излучения.
3.2.3 прямое солнечное излучение: Излучение, действующее на поверхность при непосредственном попадании солнечных лучей.
3.2.4 рассеянное небесное излучение: Излучение, действующее на поверхность от всей небесной сферы и образующееся в результате рассеивания прямого солнечного излучения в атмосфере вследствие наличия в последней различных газов и твердых частиц.
3.2.5 суммарное излучение: Прямое и рассеянное солнечное излучение, поступающее на поверхность.
Баланс энергии: Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих солнечного излучения
,
где - суммарное солнечное излучение;
- отраженное коротковолновое излучение;
- разность между собственным излучением земной поверхности и излучением атмосферы.
[ГОСТ 16350-80, приложение 1, статья 14]
3.2.7 изогелия: Линия равного суммарного солнечного излучения.
Примечание - Полученный от солнца поток энергии представляет собой солнечное излучение. Поверхность, на которую падает это излучение, подвергается облучению с той же интенсивностью. В настоящем стандарте для единообразия везде применен термин "солнечное излучение".
4 Общие положения
Солнечное излучение воздействует на изделия в первую очередь путем нагрева материалов и окружающей их среды и путем фотохимического старения материала.
Ультрафиолетовая составляющая солнечного излучения вызывает фотохимическое старение большей части органических материалов. Она отрицательно воздействует на эластичность и пластичность некоторых каучуковых смесей и пластических материалов. Оптические стекла могут потерять прозрачность.
Вследствие солнечного излучения выцветают краски на картинах, текстильных материалах, бумаге и т.п. Это может быть важно, например, в компонентах цветового кода.
Полный текст этого документа доступен на портале с 20 до 24 часов по московскому времени 7 дней в неделю .
Также этот документ или информация о нем всегда доступны в профессиональных справочных системах «Техэксперт» и «Кодекс».
Упрощенная модель солнечного нагрева поверхностей
Недавно на работе возник вопрос, касающийся промышленной безопасности. Кто-то из инженеров, комментирующий вопросы промышленной безопасности задал вопрос: "Возможна ли вспышка паров дизельного топлива инициированная нагревом крышки в резервуаре запаса дизельного топлива". Вопрос не так прост, из практики мы знаем, что хлопки паров горючих жидкостей под крышками резервуаров не происходят. Но технически газовоздушная смесь под крышкой есть, почему бы не произойти хлопку при воспламенении паров от нагревшейся под солнцем крышки? Т.к. обосновать невозможность такого хлопка не получится (никаких мероприятий по предотвращению образования взрывоопасной концентрации, вроде плавающей крыши, системе улавливания легких фракций и т.п. не предусматривается) остается попробовать обосновать то, что необходимые для этого условия не создаются. Температура вспышки паров - 55 С. Никакие существующие методики расчета нагрева тел под действием солнечных лучей мне неизвестны. Но вообще, задача выглядит несложной. Достаточно составить уравнение теплового баланса и решить его. Уравнению теплового баланса и посвящена эта статья. Оно составилось не сразу, промежуточные шаги я здесь не рассматриваю. Разумеется, это уравнение подходит и для приближенного расчета нагрева любых поверхностей (автомобилей, крыш и т.п.).
Поступление тепла
Прямое и рассеянное солнечное излучение
Так называемая солнечная постоянная составляет 1353 Вт/кв.м., но это тепловой поток солнечного тепла падающий на землю из космоса. Величина солнечной прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе на широте 52 с.ш. в полдень равна 800 Вт/кв.м. В более южных районах тепловой поток может доходить до 1000 Вт/кв.м. Примем коэффициент, учитывающий отражающую способность тел (альбедо) зависит от типа и цвета поверхности. В нашем случае используем коэффициент 0.7. Поверхность крыши резервуара 800 кв.м. и он находится под прямым солнечным излучением (исходя из необходимости учета худших возможных условий, да и по генплану затенять его нечем).
Нагрев поверхности солнечными лучами выражается формулой:
$$Q_ = Q_ \times A \times \mu$$
$Q_$ - поток солнечного излучения, 800 $\frac$
A - площадь поверхности, участвующей в излучении тепла, кв.м
$\mu$ - коэффициент отражения поверхности (альбедо).
Это верно для резервуара не находящегося в тени. Если он затенен, то потребуется еще один коэффициент, учитывающий процент затенения поверхности, а также поступления тепла от рассеянного солнечного излучения. Коэффициенты отражения для разных поверхностей можно найти в мини-справочнике.
Потери тепла
Потери тепла от конвекции
Предположим, что температура наружной поверхности резервуара под солнцем - 52$^$С, а температура окружающего воздуха - 32$^$С. Уравнение потери тепла от конвекции:
$$Q_ = h_c \times A \times \Delta T$$
$h_c$ - коэффициент конвективной передачи тепла, $\frac$
A - площадь поверхности, участвующей в конвекционном обмене, кв.м
$\Delta T$ - разница температур между поверхностью и окружающей средой, К
$Q_$ - собственно потери тепла в единицу времени, Вт
Коэффициент конвекционной передачи тепла зависит от материала поверхности, вида конвекционной среды (газ или жидкость разных видов) и других параметров. Для твердых тел, теряющих тепло при свободной конвекции воздуха коэффициент $h_c$ меняется в диапазоне 5. 25 $\frac$. Для поверхности из малоуглеродистой стали в воздушной среде коэффициент конвективной передачи тепла составит 7,9 $\frac$. Коэффициент конвекционной передачи многократно возрастает при движении конвективной среды. Например, при ветре. Так что нам становится прохладней, когда дует ветер не только потому, что мы потеем и ветер улучшает испарение пота, но и потому что ветер многократно увеличивает конвекционный отвод тепла от нашего тела.
Возьмем для расчета температуру окружающего воздуха 32$^$С и температуру поверхности резервуара из малоугеродистой стали 52$^$С.
Потери тепла излучением
$$Q_ = \epsilon \times \sigma \times A \times (T^4_h - T^4_)$$
$\epsilon$ - константа излучения объекта (или черного тела). Для поверхности, окрашенной маслянной краской $\epsilon = 0.85$.
$\sigma = 5.6703 \times 10^$ - Константа Стефана-Больцмана, $\frac$;
A - площадь поверхности, участвующей в излучении тепла, кв.м.
Теперь можно составить уравнение теплового баланса для стационарных условий.
Другими словами, поступление тепла равно сумме потерь тепла от радиации и конвекции. Здесь не учитывается тепло, которое расходуется на нагрев самой поверхности. Стационарность условий - приближение, наша прверхность будет постоянно немного нагреваться и охлаждаться, но для нашего случая это не слишком важно.
Если подставить все выражения то получим следующее:
$$Q_ \times A \times \mu = h_c \times A \times (T_h - T_) + \epsilon \times \sigma \times A \times (T^4_h - T^4_)$$
Как видно, A можно было бы и сократить, но мы этого делать не будем. Большая проблема в том, что решить это уравнение, найдя неизвестную Th будет сложно. Собственно я вообще не представляю, как решить это уравнение. К счастью, есть MathCAD, который отлично решает такие уравнения численно. Прорешав уравнение получим ответ, для нашего случая температуру поверхности 68 С. Вот файл для расчетов, чтобы можно было повторить их самостоятельно. Его можно открыть в MathCAD от 14 версии. Думаю, в следующий раз я выложу расчет в Excel, как более доступный для читателей.
Читайте также: