При увеличении температуры: Влияние температуры на скорость химической реакции — урок. Химия, 9 класс.

Повышение температуры заставило растения поглощать больше углекислого газа

Сотрудники Исследовательского центра изменения климата Университета Пердью (США) изучили адаптацию растений к повышению температуры и обнаружили, что нагревание стимулирует процессы, связанные с фотосинтезом, в том числе обмен углекислого газа. В лабораторных условиях разные растения при повышении температуры окружающей среды в среднем фиксировали больше, а выделяли меньше CO2. Работа опубликована в журнале Global Change Biology.

Углекислый газ (CO2) является естественным компонентом атмосферы нашей планеты, однако его избыточный выброс, наряду с другими парниковыми газами, является причиной глобального потепления. Приток углекислоты в атмосферу осуществляется в результате натуральных процессов — дыхания и вулканической активности, однако с начала индустриальной революции основной вклад вносит человек, сжигая ископаемое топливо. Отток углекислого газа производится растениями, которые в процессе фотосинтеза фиксируют СО2 и превращают его в сахара с участием света и воды.

Повышение концентрации СО2 в атмосфере приводит к тому, что растения начинают более активно его поглощать, однако деятельность человека по уничтожению лесов сводит на нет эту естественную саморегуляцию системы. В результате температура поверхности планеты продолжает расти.

Специалисты по исследованию последствий изменения климата решили выяснить, как увеличение температуры, без изменения других параметров среды, влияет на процессы фотосинтеза и газообмена растениями. Эксперимент охватил разные виды растений, различающиеся по типу фотосинтеза, продолжительности жизни (однолетние и многолетние) и произрастанию (тропические либо нетропические). Всего в исследовании было использовано 22 вида, включая культивируемые растения, такие как рис, кукуруза и огурцы, а также деревья, такие как береза и сосна. Растения выращивали в лабораторных условиях и в течение недели выдерживали при определенной температуре, от 15 до 35 градусов Цельсия. За это время биохимические процессы должны были адаптироваться к заданным условиям.

Ученых интересовали такие параметры фотосинтеза, как скорость фиксации углерода, обусловленная работой двух ферментов-карбоксилаз, уровень генерации энергии в процессе работы электрон-транспортной цепи и уровень темнового дыхания, в процессе которого растения выделяют углекислый газ. Эти параметры были измерены у адаптированных к определенной температуре растений. Кроме того, адаптированные растения подвергали кратковременному (в течение нескольких минут) действию экстремальных температур до 50 градусов, чтобы выяснить устойчивость биохимических параметров.

В итоге все растения при повышении температуры окружающей среды смогли адаптироваться к ней. Уровень фотосинтеза у растений возрос, как и газообмен. Увеличилось как поглощение углекислого газа, так и выделение его в процессе дыхания. Однако сравнение скоростей процессов фиксации углекислого газа и дыхания показало, что нагрев в среднем сдвигает баланс в сторону усвоения углекислоты. Кроме того, предварительная адаптация к повышенной температуре сделала растения менее чувствительными к ее внезапному кратковременному скачку.

Ученые отмечают, что эти обнадеживающие результаты получены при достаточном количестве воды и питательных веществ в почве. Между тем следствием глобального потепления может стать не только повышение температуры, но и засуха, поэтому надеяться на то, что экосистема сама справится с изменением климата благоприятным для человечества образом, не стоит.

С началом индустриальной революции в XVIII веке концентрация углекислого газа в атмосфере

возросла

на 43 процента. Средняя температура на планете с начала ХХ века

возросла

почти на градус.

Дарья Спасская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Температурные воздействия на конструкции – Часть 2: Термомеханика

См. начало: Температурные воздействия на конструкции – Часть 1: Нормы проектирования

Введение

В этой части рассмотрены теоретические основы температурных воздействий на конструкции с точки зрения классической механики материалов.

В предыдущей части 1 рассмотрены особенности учета температурных воздействий при проектировании конструкций зданий по российскому своду правил СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85).

В части 3 представлены примеры температурных воздействий на простые конструкции – балки с различными условиями закрепления.   

1. Теоретические основы температурных воздействий на материалы

1.1. Температурное расширение-сокращение

Изменения температуры вызывают расширение или сокращение конструкционных материалов, в результате чего в них возникают температурные деформации и температурные напряжения. Простая иллюстрация температурного расширения показана на рисунке 2.1, где брусок материала не закреплен и поэтому имеет возможность свободно расширяться [1]. 

Рисунок 2.1 – Брусок материала под воздействием увеличения температуры [1]   

Когда этот брусок нагревается, каждый элемент материала подвергается температурным деформациям по всем направлениям, и, соответственно, размеры бруска увеличиваются также во всех направлениях. Если взять угол А за точку отсчета и дать стороне АВ возможность сохранять свое исходное направление, то брусок примет форму, которая показана штриховыми линиями.  

Для большинства конструкционных материалов температурная деформация εTявляется пропорциональной изменению температуры ΔT, то есть

εT = α·ΔT,   (1)

где α – свойство материала, которое называется коэффициентом температурного расширения. Согласно принятому в мире «знаковому соглашению» температурное расширение считается положительным, а температурное сокращение – отрицательным [1, 2].

1.2. Коэффициент температурного расширения конструкционных материалов

Поскольку деформация является безразмерной величиной, этот коэффициент температурного расширения имеет размерность, обратную изменению температуры. В системе СИ размерность αТ может выражаться как 1/К (величина обратная единице СИ Кельвин) или 1/ºС (величина обратная градусу Цельсия). Величина αТ является одинаковой в обоих случаях, так как изменение температуры является численно одинаковым как в градусах Кельвина, так и в градусах Цельсия.

Удобно представлять величину коэффициента температурного расширения в единицах 10-6/ºС или мкм/м·ºС. Последний вид особенно удобен – он наглядно показывает насколько микрометров удлиняется один метр материала при увеличении температуры на один градус температуры.  

Информация о коэффициентах температурного расширения некоторых конструкционных материалов представлена в таблице 1.  

 Таблица 2.1 — Коэффициент температурного расширения конструкционных материалов [1]

1.3. Коэффициент температурного расширения алюминиевых сплавов

Коэффициенты температурного расширения основных алюминиевых сплавов, которые применяются в строительстве, показаны в таблице 2.  

Таблица 2.2 — Коэффициент температурного расширения строительных алюминиевых сплавов [3]

Из таблицы 2. 2 видно, что коэффициенты температурного расширения различных алюминиевых сплавов различаются незначительно. Поэтому в своде правил          СП 128.13330.2012 (СНИП 2.03.06-85) для расчетов алюминиевых конструкций в интервале температуры от минус 70 ºС до 100 ºС для всех применяемых в строительстве алюминиевых сплавов применяется коэффициент температурного расширения 0,23·10-4 1/ºС [4]. В европейском стандарте EN 1991-1-5 величина расчетного коэффициента температурного расширения составляет 24·10-6 1/ºС [5].

1.4. Температурные напряжения

Чтобы продемонстрировать относительную важность температурных напряжений, можно сравнить температурные напряжения с напряжениями, которые возникают при силовом нагружении [1]. Предположим, что мы имеем брус, который нагружен силами в осевом направлении с продольными деформациями, которые даются равенством   

ε = σ/Е,   (2)

где σ – напряжение, а Е – модуль упругости. Далее предположим, что мы имеем идентичный брусок, которые подвержен изменению температуры ΔT. Это означает, что этот брусок имеет температурные деформации согласно равенства (1). Приравнивание этих двух видов деформаций дает уравнение

σ = Е·α·ΔT   (3)

Пример.

Вычислим осевое напряжение σ, которое дает такие же деформации, как и изменение температуры ΔT в стержнях из алюминиевого сплава и строительной (малоуглеродистой) стали при увеличении их температуры на 50 ºС. 

Для алюминиевого стержня (α = 23·106, Е = 70000 Н/мм2):

σ = 70000·23·10-6·50 = 80,5 Н/мм2

Для стержня из малоуглеродистой стали (α = 12·106, Е = 210000 Н/мм2):

σ = 210000·12·10-6·50 = 126 Н/мм2

Отметим известный факт, что при одинаковом изменении температуры температурные напряжения в алюминиевом стержне составляют только 2/3 от величины температурных напряжений в стальном стержне. Так происходит потому,  что величина температурных напряжений зависит от произведения модуля упругости и коэффициента температурного расширения (см. формулу (3)). Поэтому, хотя коэффициент температурного расширения алюминия в два раза больше, чем у стали, но модуль упругости алюминия в три раза меньше, чем у стали. 

Как видно из приведенных выше расчетов, температурные напряжения могут достигать величин, сравнимых с напряжениями от механических нагрузок. Поэтому термические воздействия на конструкции зданий необходимо учитывать наряду с другими нагрузками, как того и требуют нормативные документы [4, 5].  

1.5. Температурные перемещения

Вернемся к бруску материала, показанного на рисунке 1 [1]. Предполагаем, что материал бруска является гомогенным и изотропным, то есть механические свойства материала бруска являются одинаковыми во всем его объеме. Кроме того, предполагаем, что изменение температуры ΔT является однородным, то есть одинаковым, по всему бруску. При таких условиях мы можем вычислить увеличение любого размера бруска путем умножения первоначального размера на температурную деформацию.  Например, если один из размеров бруска составляет L, то этот размер увеличиться на величину

δТ = εT·L= α·ΔT·L  (4)

Уравнение (4) можно применять для вычисления изменений длин элементов конструкций после однородного нагрева, например, удлинение призматического стержня на рисунке 2.2. Поперечные размеры стержня также изменятся, но эти изменения не показаны на рисунке 2.2, так как обычно они не оказывают влияния на осевые силы, которые передаются этим стержнем.

 

Рисунок  2.2 – Увеличение длины призматического стрежня
в результате однородного увеличения температуры (уравнение (4)) [1]

Пример.

Оценим удлинение незакрепленных алюминиевого и стального стержней длиной 3 м при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня:

δТ = α·ΔT·L  = 23·10-6·50·3000 = 3,5 мм

Для стержня из малоуглеродистой стали:

δТ = α·ΔT·L  = 12·10-6·50·3000 = 1,8 мм

При рассмотрении выше температурных деформаций предполагалось, что конструкция не имеет ограничений для своих перемещений, что позволяло ей расширяться или сокращаться совершенно свободно. Такие условия возникают, например, когда объект лежит на гладкой поверхности, на которой не возникает трения [1]. В таких случаях при однородном нагреве всего объекта в целом не возникает напряжений, хотя неоднородные изменения температуры могут вызывать внутренние температурные напряжения. Однако многие конструкции имеют опоры, которые препятствуют свободному расширению и сокращению их размеров. Поэтому в них развиваются температурные напряжения даже, если изменение температуры является однородным по всей конструкции.

1.6. Температурные деформации в статически определимых конструкциях

Рассмотрим ферму АВС из двух стержней, показанную на рисунке 2.3. Предположим, что температура стержня АВ изменилась на ΔТ1, а стержня ВС – на ΔТ2. Поскольку эта ферма является статически определимой, то оба стержня могут свободно удлиняться или укорачиваться, давая в результате перемещение соединения В. Однако в этом случае температурные напряжения в стержнях, а также реакции в опорах, отсутствуют.

Рисунок  2.3 – Статически определимая ферма
с однородным изменением температуры в каждом элементе

Это заключение справедливо в целом для всех статически определимых конструкций, а именно: однородное изменение температуры в элементах конструкции вызывают температурные деформации (и соответствующие изменения длин элементов) без возникновения соответствующих температурных напряжений [1, 2].      

1.7. Температурные деформации в статически неопределимых конструкциях

Статически неопределимыми конструкциями называются конструкции, у которых число реакций превышает число уравнений статического равновесия. В отличие от статически определимых конструкций при расчете таких конструкций принимаются во внимание прогибы [1, 2].

В статически неопределимой конструкции температурные напряжения могут возникать или не возникать в зависимости от особенностей конструкции и особенностей температурных изменений. Чтобы проиллюстрировать некоторые из таких возможностей, рассмотрим статически неопределимую ферму, показанную на рисунке 2.4.  

Рисунок  2.4 — Статически неопределимая ферма
под воздействием изменений температуры

Опоры этой конструкции позволяют узлу D двигаться горизонтально. Поэтому, когда вся ферма однородно нагревается, в ней не возникает температурных напряжений. Все элементы увеличиваются в длине пропорционально своим первоначальным длинам, а вся ферма в целом становится немного больше в размерах. 

Однако, если некоторые из стержней нагреваются, а другие – нет, то возникают температурные напряжения, так как статически неопределимое расположение стержней препятствует их свободному расширению.     

Заключение

1) Изменение температуры элементов конструкции вызывает в них температурные деформации. Температурные напряжения возникают только в статически неопределимых конструкциях. 

2) Однородный нагрев алюминиевого стержня на 50 ºС способен при жестком закреплении концов стержня вызывать значительные температурные напряжения. При таком нагреве удлинение стержня со свободными концами составляет 3,5 мм.

См. окончание:
Температурные воздействия на конструкции – Часть 3: Теория и примеры

 

Источники:

1. James M. Gere & Barry J. Goodno — Mechanics of Materials, 2009

2. Тимошенко С.П., Гере Дж. – Механика материалов, М.: Мир, 1976

3. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis, ASM International, 1993

4. СП 128.13330.2012 (СНИП 2.03.06-85) Алюминиевые конструкции

5. EN 1991-1-5  Еврокод 1: Воздействия на сооружения. Часть 1-5. Основные воздействия. Температурные воздействия   

Подготовлено сотрудниками Алюком

 

 

21.

1: Энтропия увеличивается с повышением температуры
  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    14476
  • Цели обучения

    • Дать определение энтропии и ее связи с потоком энергии.

    Мы можем составить вместе первый и второй закон для обратимого процесса, в котором нет другой работы, кроме объемной (\(PV\)) работы, и получить:

    \[dU= δq_{rev} + δw_{rev} \nonumber \]

    Энтропия – это рассеяние энергии и связано с теплотой:

    \[δq_{об}= TdS \nonumber \]

    Работа связана с изменением объема:

    \[δw_{об}= -PdV \nonumber \]

    Подставляем их в наше выражение для \(dU\) для обратимых изменений:

    \[dU= TdS -PdV \nonumber \]

    У нас больше нет функций пути в выражении, так как \(U\), \(S\) и \(V\) все функции состояния . Это означает, что это выражение должно быть точным дифференциалом. Мы можем обобщить выражение для необратимых процессов, но тогда оно превратится в неравенство:

    \[dU≤ TdS — PdV \nonumber \]

    и объем: \(U(S,V)\). \(S\) и \(V\) — это 9{T_2}{\frac{C_V(T)}{T}dT} \nonumber \]

    Если мы знаем, как \(C_V\) изменяется с температурой, мы можем вычислить изменение энтропии, \(\Delta S\ ). Поскольку теплоемкость всегда положительна, энтропия должна увеличиваться с повышением температуры. Ничто не мешает нам выразить \(U\) в других переменных, например \(Т\) и \(V\). На самом деле, если мы это сделаем, мы сможем вывести некоторые интересные соотношения.

    Пример 21.1.1

    1. Запишите \(U\) как функцию \(T\) и \(V\).
    2. Запишите \(U\) как функцию своих естественных переменных.
    3. Переставьте (2), чтобы найти выражение для \(dS\).
    4. Замените (1) на (3) и переставьте. Это определение \(C_V\).
    5. Запишите \(S\) как функцию \(T\) и \(V\).

    Мы также можем вывести выражение для изменения энтропии как функции теплоемкости при постоянном давлении, \(C_P\). Для начала нам нужно перейти от внутренней энергии \(U\) к энтальпии \(H\):

    \[\begin{align*} H &= U + PV \\[4pt] dH &= dU +d(PV) \\[4pt] &= dU + PdV + VdP \end{align*} \nonumber \]

    Для обратимых процессов:

    \[\begin{align*} dH &= dU + PdV + VdP \\[4pt] &= TdS -PdV + PdV + VP \\[4pt] &= TdS + VdP \end{align*} \nonumber \]

    Естественными переменными энтальпии являются \(S\) и \(P\) (не: \(V\)). Вывод, подобный приведенному выше, показывает, что изменение энтропии при температуре связано с теплоемкостью при постоянном давлении: 9{T_2}{\frac{C_P(T)}{T}dT} \nonumber \]

    Это означает, что если мы знаем теплоемкость как функцию температуры, мы можем рассчитать, как энтропия изменяется с температурой. Обычно проще получить данные при постоянных \(P\) условиях, чем при постоянных \(V\), поэтому маршрут с \(C_p\) является более распространенным.


    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Показать страницу TOC
      № на стр.
    2. Теги
        На этой странице нет тегов.

    Более высокие температуры | Пособие для учащихся по глобальному изменению климата

    • Более высокие температуры
    • Меняющийся дождь и
         Снежные узоры
    • Больше засух
    • Теплее океанов
    • Повышение уровня моря
    • Дикая погода
    • Повышенная кислотность океана
    • Уменьшение морского льда
    • Таяние ледников
    • Меньше снежного покрова
    • Оттаивание вечной мерзлоты

    Парниковые газы задерживают больше тепла в атмосфере Земли, что вызывает повышение средней температуры во всем мире.

    Что сейчас происходит?

    За последние 30 лет температура повысилась, и период с 2001 по 2010 год был самым теплым десятилетием за всю историю наблюдений. По мере того как Земля нагревается, волны тепла становятся все более распространенными в некоторых местах, в том числе в Соединенных Штатах. Волны тепла случаются, когда в регионе наблюдаются очень высокие температуры в течение нескольких дней и ночей.

    В большинстве районов США средняя температура воздуха повысилась с начала 20 века. Источник: Показатели изменения климата Агентства по охране окружающей среды (2016 г.).

    Что будет в будущем?

    Выбор, который мы сделаем сейчас и в ближайшие несколько десятилетий, определит, насколько повысится температура планеты. Хотя мы точно не уверены, насколько быстро и насколько будет повышаться средняя температура Земли, мы знаем, что:

    • Если люди будут продолжать добавлять парниковые газы в атмосферу с нынешними темпами, средняя температура во всем мире может увеличиться примерно на 4 градуса.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *