Термодинамическое равновесие с синим небом

[wrest]

Направляя пирометр и тепловизор в синее небо, я увидел что его (неба) температура что-то около минус 20-30 градусов цельсия (летом тоже). Соответственно, абсолютно черное тело, которое "видит" только небо, должно охладиться до этой температуры. То есть, если поместить черное тело в небольшой колодец, стенки которого хорошо отражают ИК, исключить конвекцию с атмосферой (накрыть колодец прозрачной для ИК пленкой), то получаем "кондиционер" который будет охлаждаться просто "сбрасывая" ИК в небо. Ну то есть, какой-то теплообменник красим краской, коэффициент излучения которой близок к единице, и всё. Нужен только насос который будет качать теплоноситель.

Всё так? Это уже "украдено до нас"?

[Ende]

Тема перемещена из форума «Беседы на околонаучные темы» в форум «Помогите решить / разобраться (Ф)»
Причина переноса: не надо создавать в "Беседах" темы, явно относящиеся к тематическим разделам форума.

[Geen]

wrest в сообщении #1587798 писал(а):

Всё так? Это уже "украдено до нас"?

Поищите задачку на Элементах (года три-четыре назад)

[wrest]

Geen
Поискал, задач не нашел.

[Dmitriy40]

Год-два (UPD. Да, ошибся, уже 8 лет прошло) назад была новость что разработали устройство/покрытие, которое охлаждается даже на прямом солнце! Т.е. излучает в ИК окне прозрачности атмосферы больше чем поглощает от солнца. Впечатлило.

[Dedekind]

https://elementy.ru/problems/968/Sam_sebe_kholodilnik

[wrest]

Dedekind
Да, та же идея. Интересно, какой эффективности охлаждения могут достичь реальные материалы.
Например если покрасить чернотельной (в диапазоне 8-13 микрон) краской автомобиль, насколько меньше он станет нагреваться летом...

[sergey zhukov]

wrest
Да, это интересно. Я тоже направлял тепловизор на небо и тут же понял, почему ясная ночь всегда холоднее облачной: облака теплые, они "светят" теплом. Если же небо ясное, то его температуру (ночью) тепловизор даже не в состоянии определить (дает минимально возможное показание).

Если исключить теплопроводность и конвекцию, то тепловое равновесие наступает исключительно при помощи излучения. А ясное небо всегда излучает довольно слабо. Можно было-бы строить кондиционеры на этом принципе. Только чтобы сбросить достаточно много тепла в виде излучения, нужно тело хорошо нагреть. А если оно хорошо нагрето, то гораздо эффективнее охлаждать его воздухом. Но в любом случае поставить теплообменник в тень и выкрасить в черное всегда полезно.

ИК излучение - не очевидный источник тепла. Он показывает, например, что одной температуры окружающего воздуха еще недостаточно, чтобы судить о степени, скажем, человеческих ощущений тепла и холода. Например, если очень быстро натопить баню, то можно получить горячий воздух притом, что стены и пол будут еще холодными. И это ощущается, даже если их не трогать. Наоборот, можно проветрить натопленное помещение и получить холодный воздух притом, что стены и пол - горячие. Это опять таки ощущается.

Я слышал, что подобным способом можно получать лед в пустыне, где температура песка и воздуха не обязательно падает ниже нуля.

[wrest]

sergey zhukov в сообщении #1587824 писал(а):

Только чтобы сбросить достаточно много тепла в виде излучения, нужно тело хорошо нагреть.

Ну так чернотельное излучение существенной частью попадает в окно прозрачности атмосферы...
Картинка по ссылке Dedekind

Поэтому "хорошо нагреть" как раз и не надо.
Более того, пик чернотельного излучения при "комнатной" температуре, т.е. в районе 300 кельвинов, попадает в это окно (8-14 микрон).

Пирометры и тепловизоры кстати потому и показывают на небе вселенский холод, что они работают в этом окне. Видимо, чтобы воздух не мешал.

-- 01.04.2023, 16:44 --

sergey zhukov в сообщении #1587824 писал(а):

Он показывает, например, что одной температуры окружающего воздуха еще недостаточно, чтобы судить о степени, скажем, человеческих ощущений тепла и холода.

Человек меряет температуру кожи (помимо внутренних датчиков), а уж чем она нагрета -- излучением или конвекцией, по-моему значения не должно иметь.

[zykov]

Закон Стефана — Больцмана

Цитата:

Полная объёмная плотность равновесного излучения и полная испускательная способность абсолютно чёрного тела пропорциональны четвёртой степени его температуры.

4-ая степень!
При невысокой температуре интенсивность тепелового обмена через излучение низкая.
Охлаждать будет, но очень медленно.

[sergey zhukov]

wrest в сообщении #1587825 писал(а):

Поэтому "хорошо нагреть" как раз и не надо.

Если речь о том, чтобы максимальный процент излучения попадал в окно прозрачности - то греть не надо. Только это может быть 90% от одного ватта (условно). А если речь о том, чтобы в окно прозрачности уходило как можно больше излучения в абсолютном выражении - то надо. Это может быть 10% от киловатта. Тут, конечно, обычное противоречие между КПД (в первом случае) и мощностью (во втором).

wrest в сообщении #1587825 писал(а):

Человек меряет температуру кожи

Это конечно. Я только хотел сказать, что эта температура кожи не от одной лишь температуры воздуха (и влажности с ветром) зависит.

[wrest]

zykov в сообщении #1587832 писал(а):

При невысокой температуре интенсивность тепелового обмена через излучение низкая.
Охлаждать будет, но очень медленно.

Ну в хозбыте охлаждать надо, обычно: пиво, воду, воздух и тому подобное. Так что и диапазон температур охлаждаемого объекта соответствующий (30-60 градусов Цельсия). Проблема, обычно, когда надо охладить ниже температуры воздуха. Ну или не дать нагреться выше (как салон автомобиля летом на стоянке).

[wrest]

sergey zhukov в сообщении #1587834 писал(а):

Если речь о том, чтобы максимальный процент излучения попадал в окно прозрачности - то греть не надо. Только это может быть 90% от одного ватта (условно). А если речь о том, чтобы в окно прозрачности уходило как можно больше излучения в абсолютном выражении - то надо. Это может быть 10% от киловатта. Тут, конечно, обычное противоречие между КПД (в первом случае) и мощностью (во втором).

Я посчитал как что.
У меня получилось так. Если принять "температуру неба" за -30 по цельсию, то небо излучает 50 ватт на квадратный метр в диапазоне от 8 до 13 микрон.
Черное тело будет излучать (с квадратного метра)
Градусов цельсия Ватт
T=0C;P=92W
T=10C;P=111W
T=20C;P=132W
T=30C;P=155W
T=40C;P=180W
T=50C;P=207W
T=60C;P=237W
T=70C;P=269W
T=80C;P=303W
T=90C;P=339W
T=100C;P=378W
Таким образом, при температуре теплоносителя (=черного тела) скажем 40 градусов цельсия, в небо будет улетать, через окно прозрачности атмосферы 8-13 микрон, 130 Ватт с квадратного метра.

Нас наверное интересует температура теплоносителя 24 градуса цельсия (комнатная), при ней излучаться в небр будет 141 ватт, минус 50 падающих с неба ватт итого около 90 ватт "охлаждающей мощности" на квадратный метр. Это кстати примерно столько, сколько советуют при расчете мощности кондиционера на квадратный метр помещения. Так что если дом одноэтажный, то для охлаждения хватит площади крыши. Будут затраты энергии на циркуляцию теплоносителя, их оценить затрудняюсь.

(как считал)

PARI/GP
h=6.62607015*10^(-34);k=1.380649*10^(-23);c=299792458;e(l,T)=2*Pi*h*c^2/(l^5*(exp(h*c/(l*k*T))-1));
l1=8*10^(-6);l2=13*10^(-6);
Это первоначальные установки (формула Планка).
Ватты, излучаемые в интересуемом диапазоне длинн волн с одного квадратного метра при фиксированной температуре, считаются так
P(T)=intnum(l=l1,l2,e(l,T))
P.S. Какая хорошая штука система СИ. Просто всё подставил и сразу получается...

[Dmitriy40]

(Оффтоп)

wrest в сообщении #1587920 писал(а):

6.62607015*10^(-34)

Если число не нужно зачем-то именно целым (понятно что с неотрицательным показателем степени), то можно чуть сократить запись: 6.62607015e-34. В принципе и скобки для показателя степени не обязательны, минус унарный и ассоциируется с числом.

Мне непонятно откуда цифра -30°С для синего неба. Если тепловизор измеряет в окне 8-13 мкм, то там атмосфера практически прозрачна, сама почти ничего не излучает (хоть цветовая температура и порядка 7500К, но там весь спектр смещён в синюю сторону и на дальний ИК приходятся совсем слёзы) и должна быть температура космоса, 3К, а вовсе не 243К. Возможно тепловизор не умеет измерять температуры менее -30°С и поэтому показывает её?
Прикинем по другому. Интенсивность прямого солнечного потока на поверхности земли составляет почти 1кВт на кв.м, рассеянного 25% от него, т.е. порядка 250Вт/кв.м, но все они должны приходиться опять таки на синюю часть спектра, а в окне 8-13 мкм будут доли ватта на кв.метр. А точнее, если взять цветовую температуру синего неба 7500К, то поток в ИК окне составил бы по Вашей формуле 88кВт/кв.м, т.е. в 1800 раз больше 50Вт/кв.м для температуры 243К. Но поток всего 250Вт, а не 88кВт, значит и 50Вт надо поделить на 350, жалкие 142мВт/кв.м или температура в Вашу формулу всего 117К=-156°С, не 243К=-30°С. А реально поток в окне 8-13 мкм должен быть ещё много меньше, ведь рассеянное излучение совсем не чернотельное. Если отношение длин 10мкм и 500нм (пик рассеянного излучения) взять за 20, то отношение интенсивностей будет 160 тысяч и от 250Вт в том ИК окне вообще ничего не останется (около одного мВт/кв.м). Откуда 50Вт/кв.м в ИК окне и соответственно -30°С?! Если 99.99% приходится на видимый участок, да ещё и смещённый к синему.

[wrest]

Dmitriy40 в сообщении #1587944 писал(а):

Возможно тепловизор не умеет измерять температуры менее -30°С и поэтому показывает её?

Скорее всего так.

Dmitriy40 в сообщении #1587944 писал(а):

Откуда 50Вт/кв.м в ИК окне и соответственно -30°С?!

Ну я просто принял, что небо чернотельное (в интересующем диапазоне) с температурой, которую показал пирометр. И проинтегрировал излучение на 8-13 микрон черного тела температурой -30 по цельсию. Собсно это и должен показать пирометр (который меряет яркость как раз в 8-13 микронах и по ней вычисляет температуру). Ну скажем, оценка сверху излучения неба в 8-13 микронах -- 50 ватт на квадратный метр. То есть - не больше.

-- 02.04.2023, 19:25 --

Dmitriy40 в сообщении #1587944 писал(а):

А точнее, если взять цветовую температуру синего неба 7500К, то поток в ИК окне составил бы по Вашей формуле 88кВт/кв.м,

Это если бы черное тело типа солнца температурой 7500K занимало бы всё небо Но оно не занимает. Где-то рядом с Солнцем так и есть, по формуле...