Як холодно через брак тепла?

Я знаю, що на Місяці, хоча денна температура поверхні може бути вище 270 ° F, у тіні, але на кілька футів вище температури поверхні може стати досить низькою. Цікаво, чи можна спостерігати подібне явище, якщо навколо предмета, який підвішений у його середині, створюється вакуум.

Скажімо, наприклад, сталеву кульку підвішують посередині куба з оргскла на 3 нитки з оргскла, а внутрішній об'єм куба - 1 кубічний метр, а кулька діаметром 10 см, стінки коробки товщиною 5 см. Куб був евакуйований до практичної межі сучасних вакуумних насосів. Скажімо, сталеву кульку охолоджують до температури -20 с (вимірюється в момент завершення евакуації). Скажімо, зовні 70 ° F, а коробка сидить на штативі з оргскла в тіні, захищеному від прямих сонячних променів.

Яким буде показник температури сталевої кульки, приблизно, через 2 тижні? (тобто при рівновазі).

(Я не маю на увазі надмірно прискіпливий характер, але намагаюся бути достатньо конкретним, щоб уникнути відповідей типу "це залежить від того, наскільки товсті стіни" тощо)

— user1023110
джерело

Що стосується вашого першого запитання, пам’ятайте, що атмосфера Землі також поглинає енергію, кількість енергії, яку отримувала б ваша система на землі, не така, як отримана на Місяці. І я не розумію, як грає "Коробка"? Мені це не зовсім зрозуміло.

— Сем Фарджамірад

мета коробки - створити вакуум навколо сталевого кульки, максимально обґрунтовано ізолювати сталеву кульку від променистого тепла землі та навколишньої атмосфери, як і на Місяці, відсутність атмосфери щось ізолює над поверхнею від дуже високих температур на поверхні. тобто тепло не може переходити від стінки коробки до сталевої кулі, оскільки немає середовища для її проведення. Це питання все одно.

— користувач1023110

Я думаю, я це отримав, тому ви хочете максимально зменшити передачу тепла за допомогою провідності та конвекції, але ви забуваєте передачу тепла радіацією. Я думаю, що ваша термодинамічна система буде в рівновазі через два тижні.

— Сем Фарджамірад

Ага. Чи потребує нагрівання радіацією середовище будь-якого виду? якщо ви усунете різницю між землею та місяцем, тобто атмосферою, чому поведінка здається різною (а може й ні?). Якби ящик був захищений від видимого світла, інфрачервоний ультрафіолет все-таки відбувся б променевим нагріванням? як це відбувається?

— користувач1023110

З часом все має тенденцію до однакової температури - дайте достатньо тме ...

— Сонячний Майк

Уявіть систему, що знаходиться внизу, при рівновазі.

Енергетичні баланси такі:

На бал ...

ϵ_{b} T_{b}^{4} = ϵ_{w} T_{w}^{4}

$\epsilon_b T_b^4 =\epsilon_w T_w^4$

Біля стіни ...

ϵ_{w} A_{w} σ T_{w}^{4} = h_{a} A_{w} (T_{a} - T_{w}) + ϵ_{a} A_{w} σ T_{a}^{4}

$\epsilon_w A_w \sigma T_w^4 = h_a A_w (T_a - T_w) + \epsilon_a A_w \sigma T_a^4$

У цих балансах - випромінювання, - області, - константа Стефана-Больцмана, - температури, а - коефіцієнт конвекції повітря. $\epsilon_j$ $A_j$ $\sigma$ $T_j$ $h_a$

Виберіть усі матеріали та розміри, щоб вказати всі значення та . Виберіть тихий чи вітряний день, щоб вказати . Визначте температуру повітря. Це залишає дві невідомі ( і ) з двома рівняннями. Проблему можна вирішити. $A_j$ $\epsilon_j$ $h_a$ $T_b$ $T_w$

Приклад

Візьміть випадок, коли куля та стінки є одним і тим же матеріалом, тому їх випромінювання однакова. Ми знаходимо, що . Теплові потоки випромінювання всередині коробки збалансовані. Тепер припустимо, що повітря не має випромінювання, і стіни є ідеальними чорними тілами ( ) для отримання . Займіть повітря з Вт / м К і К. Стіна і куля знаходяться на рівні 238 К. У цьому випадку повітря накачує тепло до стін конвекцією, а стінки (чорне тіло) випромінюють назад у повітря. Коли стіни (і куля) йдуть у напрямку до сірих тіл (як $T_b = T_w$ $\epsilon_w = 1$ $\sigma T_w^4 = h_a (T_a - T_w)$ $h_a = 5$ $^2$ $T_a = 275$ $\epsilon_w \rightarrow 0$ ), температура стінки зростає. У межах, де стінки не випромінюють випромінювання, ми закінчуємо простим випадком, що . Жодне тепло не витікає з рівноваги. $T_b = T_w = T_a$

— Джефрі Дж Ваймер
джерело

Дякую, що дуже корисно Джефрі. Боюсь, я не зовсім те, що є одиницями та деякими листами. (наприклад, Aw, e, sigma?) Припускаючи, що немає вітру, чи можете ви навести приклад на основі описаних вище налаштувань?

— користувач1023110

Я оновив пояснення символів та приклад

— Джефрі Дж Ваймер