Drukuj

Zaloguj się lub zarejestruj.
1 Godzina 1 Dzień 1 Tydzień 1 Miesiąc Zawsze
Zaloguj się podając nazwę użytkownika, hasło i długość sesji

[greg]

Prosił mnie WASHI swojego czasy bym przybliżył właściwości wody jako potencjalnego źródła ciepła pod osłoną.

Niestety nie da się policzyć na jak długi czas wystarczy taka to a taka ilość wody. Po pierwsze nie znamy współczynnika przenikania ciepła dla konkretnej osłony. Ten należałoby wyznaczyć empirycznie. Po drugie nie da się ukryć, że warunki rzeczywiste odbiegają od warunków laboratoryjnych. Na przykład temperatura zmienia się dynamicznie w sposób, którego dokładnie nie można przewidzieć. Po trzecie czas ten będzie zależny od kształtu samych naczyń z wodą. Inaczej zachowa się np. pięć litrowych butelek, a inaczej jedna butelka pięciolitrowa. Chodzi o różną powierzchnię wymiany ciepła.

Można jednak zrobić rzecz znacznie prostszą. Możemy mianowicie sprawdzić jaki zasób energii posiada określona ilość wody.

A czym w ogóle jest coś co nazywamy ciepłem? Ano jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Jeśli w danym układzie termodynamicznym występuje stan nierównowagowy, czyli woda w butelce będzie miała temperaturę wyższą niż temperatura otaczającego ją powietrza, to układ będzie dążył do stanu równowagi termodynamicznej. Czyli do wyrównania temperatur.

Przyjmijmy następujące założenie. Mamy butelkę o pojemności 1.5 litra po wodzie mineralnej. I chcemy zobaczyć jaka jest wartość energetyczna tejże butelki. Dodatkowe założenia są takie, że punktem startowym naszego myślowego eksperymentu jest sytuacja kiedy temperatura wody wynosi 60 C, a punktem końcowym jest sytuacja, w której cała woda ulegnie zamarznięciu. Czyli otrzymamy lód o temperaturze 0 C.

Wartość tego ciepła możemy bardzo prosto policzyć:

Q = (c₁ * m * ΔT) + (c₂ * m)

gdzie c₁ oznacza ciepło właściwe wody, m masę, ΔT różnicę temperatur a c₂ ciepło krzepnięcia wody. Brązowa część to schłodzenie naszej wody od 60 C do 0 C (ΔT = 60). Zielonkawa to proces zamarzania. Jak wiadomo 1.5 litra wody z dobrym przybliżeniem ma masę 1.5 kg. Ciepło właściwe wody wynosi 4187 J/(kg * K), a ciepło krzepnięcia 333700 J/kg.

Podstawiając wartości otrzymujemy:

Q = (4178 * 1.5 * 60) + (333700 * 1.5) = 376020 + 500550 = 876570 J

Czyli ochłodzenie 1.5 litra wody od 60 C do 0 C, a następnie zamarznięcie spowoduje oddanie do otoczenia 876570 J ciepła. A ile to jest 876570 J? Zróbmy założenie, że ową butelkę wymieniamy co 12 godzin i wyciągamy ją całkowicie zamarzniętą. Obliczmy teraz „średnią moc” takiej butelki. Moc jest niczym inny jak pracą wykonaną w jednostce czasu. Zatem:

P = W / t

gdzie W to praca, a t to czas w sekundach. Po podstawieniu:

W = 876570/(12 * 3600) = 20.29 W

Czyli w tej modelowej sytuacji, w której butelka wody ma temperaturą początkową 60 C, a po 12 godzinach wyciągamy ją całkowicie zamarzniętą wydzieli ona tyle ciepła co kabel grzejny pracujący z mocą około 20 W. Analogicznie dwie butelki to 40 W itd.

Jest to oczywiście „średnia moc” butelki. W realnej sytuacji nie należy oczekiwać, że ilość energii przekazanej w jednostce czasu będzie stała.


Sam stosowałem butelki z wodą do zabezpieczania niektórych z moich roślin w czasie późnej jesieni na okoliczność nocnych przymrozków. Przy roślinie kładłem pięciolitrową butelkę z wodą, a całość na noc okrywałem grubą plandeką i czymś tam jeszcze, co mi akurat wpadło w rękę. O ile po nocnym przymrozku woda w butelkach stojących bez okrycia była częściowo zamarznięta to woda w butelkach pod okryciem nigdy. Na syberyjskie mrozy to z pewnością kiepska metoda, ale dla małych roślin przy umiarkowanie niskich temperaturach i regularnej wymianie butelek może okazać się wystarczająca. Należy jednak w sposób empiryczny określić samemu właściwości danej osłony.