Ночное замерзание воды: расчет излучения через атмосферу?

Недавно я наткнулся на статью в Википедии, в которой утверждалось, что средневековые цивилизации оставляли воду на ночь в изолированном горшке в ясные и безветренные ночи, в результате чего вода излучала свое тепло и превращалась в лед. Обратите внимание, что этот метод не требует, чтобы температура окружающего воздуха была ниже уровня замерзания.

Это подводит меня к моему вопросу: как это возможно и какова самая низкая температура, при которой можно надеяться охладить хорошо изолированный объект ночью? Предположим, например, что это безветренная ночь, когда температура окружающего воздуха составляет 15°С. В то время как объект излучает свое тепло в космос, атмосфера также излучает тепло в объект (поскольку мы надеемся охладить объект до температуры ниже температуры окружающей среды). Как это вычислить, т. е. чем является «лучистая» температура ночного неба, а не температура окружающей среды?

Обратите внимание, что этот метод не требует, чтобы температура окружающего воздуха была ниже уровня замерзания. Так и есть: тепло ВСЕГДА переходит от горячего к холодному. ВСЕГДА. Объект не только излучает, но и ПОЛУЧАЕТ излучение.
Если влажность низкая, испарение может способствовать охлаждению. Я полагаю, что самая низкая возможная температура может зависеть от высоты — более разреженный воздух, по-видимому, излучает меньше.
более разреженный воздух предположительно излучает меньше Единственное, что влияет на конечную температуру, это температура воздуха.
@ Герт, ты упускаешь из виду тот факт, что вещи не обязательно должны находиться в физическом контакте, чтобы находиться в тепловом контакте.
@ Ben51 Я совсем не упускаю из виду это.
@ Герт, о, моя ошибка. Тогда вы понимаете, что при допущении, что воздух хоть немного прозрачен для ИК-излучения, важна температура пространства (~3К). Так что не только температура воздуха.
@Ben51 Идея о том, что воду можно заморозить (0∘С или ниже) с воздухом ВЫШЕ этой температуры (как бы... гм... "разреженного") - сущий бред, как ни крути. Я предлагаю вам попробовать это на самом деле.
@ Герт Возможно, ты прав. Но на первый взгляд это не является физически невозможным. Вода может быть нагрета солнцем намного горячее, чем окружающая среда. Также может охлаждаться ниже температуры окружающей среды за счет излучения в космос.
@ Ben51 Как я уже сказал: попробуй. Нет ничего лучше, чем немного эмпиризма, чтобы положить что-то подобное в постель. Что же касается Солнца, то в последний раз, когда я смотрел, оно было гораздо горячее даже кипятка.
@ Герт точно. А космос намного холоднее замерзающей воды.
Связанный вопрос: physics.stackexchange.com/questions/252638/…

Ответы (2)

Давайте смоделируем это как термодинамическую систему с тремя компонентами: водой, воздухом и космическим пространством (четвертым компонентом будет земля, но мы предположим, что изоляция между водой и землей под ней очень хорошая, и оставим это из). Для простоты предположим, что воздух совершенно прозрачен для инфракрасных частот, на которых излучает вода (это не так — если бы это было так, не было бы «парникового эффекта», — но если влажность низкая, воздух прозрачен). достаточно прозрачна, чтобы можно было считать, что вода находится в радиационном тепловом контакте с атмосферой на большей высоте, где она холоднее). Мы также будем игнорировать поток скрытого тепла, связанный с испарением.

В этой модели вода получает тепло от воздуха за счет теплопроводности (так называемый «поток явного тепла») и отдает тепло в космическое пространство за счет излучения. Равновесие достигается, когда эти два потока уравновешиваются. Поток излучения можно оценить, рассматривая воду как черное тело: о Т ш а т е р 4 . Поток явного тепла пропорционален разности температур воздуха и воды, но также зависит от скорости ветра и довольно эмпиричен. Но скажем, для условий конкретной ночи мы можем сказать, что поток явного тепла в воду равен С ( Т а я р − Т ш а т е р ) , где С является константой. Тогда мы можем установить два потока равными друг другу и найти Т ш а т е р .

Я тоже думал в том же духе. Но что помешало мне написать ответ, так это то, что излучение черного тела при 0 ° C достигает максимума на длине волны ~ 10 мкм. Таким образом, и вода, и воздух излучают на этой длине волны, но вода имеет здесь сильные полосы поглощения . Поэтому мне кажется, что в целом вода получит больше энергии от излучения, чем потеряет.

Это подводит меня к моему вопросу: как это возможно и какова самая низкая температура, при которой можно надеяться охладить хорошо изолированный объект ночью?

Это возможно благодаря так называемому радиационному охлаждению неба. https://www.popularmechanics.com/technology/infrastructure/a29036147/radiative-sky-cooling/

Цитирую по ссылке:

«Этот эффект возникает естественным образом постоянно, особенно в ясные ночи», — говорит в заявлении для прессы автор исследования Аасват Раман, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «В результате объект, излучающий тепло, будь то автомобиль, земля или здание, будет немного холоднее, чем температура окружающей среды ».

Это утверждение согласуется со следующим утверждением из статьи в Википедии:

«При условии, что воздух был спокойным и не слишком далеко от точки замерзания , приток тепла от окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы вода могла замерзнуть».

Нужно иметь в виду, что вода излучает в космический вакуум (несколько градусов К), а не только в атмосферный воздух при плюсовой температуре.

Вот еще пара релевантных ссылок:

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5087281

https://www.osti.gov/pages/servlets/purl/1424949

Надеюсь это поможет.

Ночное замерзание воды: расчет излучения через атмосферу?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v