Теплопередача от космического корабля в глубоком космосе

Космос — это среда с очень низкой температурой, однако в нем также чрезвычайно мало частиц на единицу объема. Это наводит меня на мысль, что, вопреки распространенному представлению о потере тепла в космосе, потери тепла из-за теплопроводности на гипотетическом космическом корабле в глубоком космосе будут очень небольшими. Если бы вас отправили в космос и снабдили пищей, водой, теплом и защитили бы от давления, охладился бы космический корабль из-за излучения головы в сторону от корабля?

Этот вопрос кажется не по теме, потому что он касается проблем, с которыми сталкиваются в освоении космоса. Возможно , Space.SE лучше подходит для этого вопроса?
Это вопрос физики. Разве в космосе нет физики?
Да, я только что посмотрел, там на самом деле есть физика в космосе, и физика. SE на лицо не включает никаких правил о запрете космической физики.
Конечно, вы могли бы утверждать, что все это физика , но нам не нужно явно делать «тему x» не по теме по правилу, мы можем просто использовать решения, основанные на знаниях. Ваш вопрос касается проблем удержания/отвода тепла во время путешествия в космосе; на мой взгляд, это лучше подходит на сайте космических исследований, на который я ссылался, чем здесь.
По сути, это поражает меня как вопрос теплопередачи в конкретной среде. Вопрос можно было бы отшлифовать (думаю, я добровольно редактирую), чтобы он больше касался физики, а не космоса, но я думаю, что здесь есть потенциал для хороших ответов.
В глубоком космосе согреться - проблема. На околоземной орбите или вокруг звезды сохранение хладнокровия является проблемой. Но в целом термоконтроль не такая большая проблема, как об этом пишут популярные СМИ. Обычно это вопрос того, как покрасить космический корабль.
У вопроса был неудачный заголовок (теперь отредактированный), но мне кажется, что это вполне справедливый вопрос.
@ Джим - Краска, которую люди используют на космическом корабле, - это не та краска, которую можно купить в местном хозяйственном магазине. Кроме того, космические корабли обычно покрыты многослойной изоляцией. Это не тот утеплитель, который можно купить в местном хозяйственном магазине. Да, это инженерия (так что, возможно, не по теме), но это инженерия, подкрепленная большим количеством физики.
@DavidHammen Как инженер космических систем, специализирующийся на функциональных покрытиях для космических аппаратов, я хорошо знаю, какие краски и изоляторы используются.

Ответы (2)

Давайте начнем с предположения, что вы находитесь в тени, поэтому вы не получаете никакого излучения (кроме космического микроволнового фона, который, я думаю, мы можем игнорировать). Количество излучаемой теплоты на единицу площади определяется законом Стефана :

(1) Дж знак равно ε о Т 4

Коэффициент излучения кожи человека предположительно составляет 0,98 , а площадь кожи взрослого мужчины составляет около 2 м2. 2 , так что кормление в Т знак равно 37ºC дает нам общую излучаемую мощность около киловатта. Мощность , производимая взрослым мужчиной, составляет около 120 Вт , поэтому при температуре тела вы потеряете около 880 Вт.

Чтобы определить, до какой температуры вы будете охлаждаться, мы просто возьмем уравнение (1) и введем Дж знак равно 60 Вт/м 2 и мы получаем Т знак равно 180К. Это было бы фатально.

Что интересно, так это посмотреть, что происходит, когда вы находитесь под прямыми солнечными лучами. На орбите Земли излучение Солнца составляет около 1,4 кВт/м. 2 . Поскольку будет освещена только половина вашей кожи, вы потеряете 1 кВт и получите 1,4 кВт, что даст чистый прирост в 400 Вт. Чтобы определить вашу равновесную температуру, мы просто кормим Дж знак равно 1400 Вт/м 2 в уравнение (1), и мы получаем Т знак равно 396К, что опять же было бы фатальным.

Расстояние от Солнца, на котором тепло, которое вы излучаете, точно уравновешивало бы тепло, которое вы получаете, можно определить с помощью закона обратных квадратов. Если р Е радиус орбиты Земли и р радиус теплового баланса получаем:

р 2 р Е 2 знак равно 1400 1000

или же:

р знак равно 1,18 р Е

Редактирование вопроса немного саботировало мой ответ. Первоначальная версия спрашивает: « А может ли прибавка тепла к телу уравновешиваться излучением при какой-то приемлемой для выживания температуре?» , поэтому я рассчитал тепловой баланс человеческого тела. Редактирование меняет вопрос о тепловом балансе космического корабля.
Виноват. Это было самое обширное редактирование, которое я когда-либо делал по вопросу, потому что я хотел убрать все вещи из «Звездного пути» и придерживаться физики, иначе ОП, вероятно, продолжит получать отрицательные голоса. Я думаю, что ваш ответ по-прежнему великолепен, учитывая дух вопроса. +1
Меня немного смущает этот ответ ... может быть, это потому, что вопрос был изменен? Чистая мощность, излучаемая взрослым мужчиной, составляет 120 Вт при температуре окружающей среды 290 К (комнатная температура). Полезная мощность, излучаемая взрослым мужчиной, составляет 1 кВт при температуре окружающей среды 0 К. Откуда берутся 880 К? Кроме того, если вы уравновешиваете пространство (3 градуса Кельвина?), ваша конечная температура будет 3 К, а не 180 К.
Отличный ответ. Даже кажется, что это произойдет довольно быстро. Очень нелогично, я все еще пытаюсь понять, как это возможно. Разве эти уравнения не так же актуальны на Земле? Итак, если бы я был в комнате с температурой 20 градусов без одежды, я бы быстро излучал свое тепло и умер от переохлаждения? Потому что я гарантирую вам, что этого не произойдет. Может быть, мне не хватает какого-то важного участника. Я думаю, что возможно, может быть, мы перепутали, потому что тепловыделение человека не является постоянным, оно сильно колеблется, чтобы поддерживать стабильную внутреннюю температуру.
@pentane Разница в 880 К означает, что ваша среда 290 К излучает обратно на вас 880 Вт. - Равновесная температура 180 К основана на предположении, что экзотермические процессы в теле все еще активны и излучают 120 Вт. Конечно, фатальность охлаждения даже до 180 К остановит эти процессы, а затем проложит вам путь к 3 К. .
Возможно, если бы мы подошли к вопросу с точки зрения того, как изменится потеря температуры в космосе по сравнению с Землей? На Земле я все еще теряю примерно 1 кВт. Верно? Что мы добавим к этому для конвекции? Если я нахожусь в тени, я не получаю прямых солнечных лучей. Это какой-то скрытый внешний источник, который согревает или изолирует меня?
@HagenvonEitzen 120 Вт исходит не от «телесных экзотермических процессов», а от излучения черного тела при температуре человеческого тела. Как только ваше тело остывает ниже температуры человеческого тела (и только тогда), вы излучаете менее 120 Вт. См. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/bodrad.html
Небольшая критика заключается в том, что 37 - это температура тела, температура кожи туловища колеблется от 33,5 до 36,9 в зависимости от условий окружающей среды. Конечности холоднее. Хотя это не будет иметь существенного значения.
@pentane Прочтите ссылку в ответе. Приведенные 120 Вт - это оценка энергии, вырабатываемой организмом, - она ​​исходит из примерно 2500 калорий, потребляемых в день. Это число оценивается как 90 Вт в ссылке, которую вы предоставляете.
@JohnRennie: Вот почему мне нравится, когда другие стеки отменяют такие изменения. Если кто-то задает совершенно другой вопрос, это должен быть новый вопрос. Если кто-то, кроме ОП, так сильно меняет смысл вопроса, это просто неправильно, а не для чего нужны правки.

Если вы находитесь вне солнечного света, то основным источником охлаждения будет излучение. Количество чистого тепла, которое вы излучаете, зависит от температуры вашей кожи. Т с к я н и температура окружающей среды Т а м б я е н т :

Вопрос т знак равно е о А ( Т с к я н 4 − Т а м б я е н т 4 )

куда
Вопрос = потеря тепла в джоулях
т = время в секундах
е = коэффициент излучения кожи ( ≈ 0,98 для человеческого тела)
о = постоянная Стефана-Больцмана
А = площадь поверхности человеческого тела

Затыкать Т с к я н а также Т а м б я е н т в этот калькулятор , и он рассчитает потери тепла в ваттах, используя приведенное выше уравнение. Для температуры тела человека ( Т с к я н = 34 °C = 307 K) и комнатной температуре ( Т а м б я е н т = 23 °C = 296 K), потери тепла составляют 133 Вт. Для температуры тела человека и космического пространства ( Т а м б я е н т = -270 °C = 3 K), потери тепла составляют почти 1000 Вт.

Предположим, что человек - это 70 кг воды. Поскольку теплоемкость воды составляет 4,18 Дж/гК, если человек излучает 1000 Вт в течение десяти минут, этого достаточно, чтобы понизить ее температуру на 2 К. Чтобы сбалансировать тепловое излучение от вашего тела, вам потребуется потреблять пищу на 1000 Вт. = 14 пищевых калорий в минуту.

печенье

Одно из этих 50-калорийных печений каждые 2-3 минуты сделает свое дело.

Другими словами, вы правы в том, что космос не такой «холодный», как его изображают. Да, температура низкая, но там недостаточно материи, чтобы что-то быстро охладить. Термос способен сохранять кофе горячим в течение длительного времени, используя именно это явление.

Большое спасибо. Я понятия не имею, как работает тепловое излучение, но если он заботится о температуре окружающей среды, не должен ли он также заботиться о вакууме? Температура в вакууме не имеет значения, верно? Нет такого понятия, как температура без массы. Космос может и не быть идеальным вакуумом, но он довольно близок к этому. Это означает, что его температура не определена. Верно? Или это означает окружающее излучение или что-то в этом роде?
+1 Отличный ответ, действительно понимает физику. Я почти уверен, что на практике человеческое тело не может достаточно быстро усваивать печенье, чтобы приготовить его. 1 к Вт , даже если вы ели их достаточно быстро. Я думаю, что вы просто почувствовали бы себя очень плохо и в конечном итоге смертельно замерзли бы через десять минут или около того. Но ваш ответ очень хорошо иллюстрирует, что вещи просто не «замораживаются» в космосе.
Означает ли это, что с курткой, уменьшающей коэффициент излучения, с вами все будет в порядке? Также похоже, что люди могут производить более 1 кВт тепла, по крайней мере, в течение нескольких часов за раз. Это привело бы меня к мысли, что космос эквивалентен чему-то порядка от -10 до -30°C на Земле. Довольно холодно. В конце концов вы умрете без защиты, но это не какая-то нелепая холодность, которую не прикроет куртка.
@WetSavannaAnimalakaRodVance Но это для обезжиренного торта. Если предположить, что мы использовали какую-то эскимосскую еду и были в отличной форме, я думаю, что это действительно может быть в пределах возможного (сон, вероятно, будет проблемой). И это без всяких утеплителей.
@JonathonWisnoski да, «температура окружающей среды» в этом уравнении также является радиационной. Для «глубокого космоса» вы можете использовать 3 Кельвина или около того космического фонового излучения. Если вы находитесь поблизости от каких-либо звезд или других больших излучателей, вы должны принять это во внимание, и температура окружающей среды будет выше.
Теплопередача от космического корабля в глубоком космосе
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v