Energia Słońca

Słońce jest dla nas najważniejszym źródłem energii. Często nie zdajemy sobie sprawy z tego, że to właśnie Słońce jest pierwotnym źródłem energii wykorzystywanej na Ziemi. Jest tak w przypadku energii płynących wód, energii wiejących wiatrów, energii fal morskich, energii zmagazynowanej w biomasie, gazie ziemnym, ropie naftowej, węglu.

Bez Słońca nie byłoby życia na Ziemi, znane nam formy życia roślinnego i zwierzęcego potrzebują energii słonecznej do swego istnienia. Energia ta pobierana jest w formie bezpośredniej i zakumulowanej w różnych substancjach.

Spis treści

Energia Słońca. 1

Natężenie promieniowania Słońca. 1

Definicje mocy i natężenia promieniowania. 1

Jednostki energii, mocy i natężenia promieniowania. 2

Satelita na orbicie wokół Ziemi 2

Energia docierająca do atmosfery ziemskiej 2

Całkowita energia docierająca do atmosfery ziemskiej w ciągu doby. 3

Energia docierająca do atmosfery ziemskiej w ciągu roku. 3

Energia emitowana przez Słońce. 3

Energia emitowana przez Słońce w ciągu jednej sekundy. 3

Energia emitowana przez Słońce w ciągu doby. 4

Źródło energii słonecznej 4

Zużycie materii słonecznej. 4

Masa zużyta w ciągu życia Słońca. 5

Porównania z warunkami ziemskimi 5

Porównanie – energia wysłana przez Słońce a zużycie benzyny. 5

Porównanie – potrzebny do spalenia tlen. 5

Porównanie – masa tlenu w atmosferze ziemskiej 5

Natężenie promieniowania Słońca

Definicje mocy i natężenia promieniowania

Moc (średnią) emitowaną przez źródło określamy jako iloraz energii emitowanej przez źródło i czasu tej emisji.

Moc chwilowa to moc średnia w coraz krótszych przedziałach czasu czyli granica ilorazu emitowanej energii przez czas emisji, gdy przedział czasu emisji zmniejsza się do zera.

Jednostki energii, mocy i natężenia promieniowania

Jednostki energii promieniowania to takie same jednostki jak dla pracy mechanicznej, pracy prądu elektrycznego czy energii mechanicznej czyli dżul i jego podwielokrotności oraz wielokrotności.

Podobnie jest z jednostkami mocy – jednostka mocy promieniowania są waty i jednostki od niego pochodne.

Jednostką natężenia promieniowania jest wat na metr kwadratowy i jednostki pochodne.

W praktycznym użyciu są stosowane jednostki spoza układu SI – zamiast dżuli i jego wielokrotności używane są kilowatogodziny i jednostki wynikające z ich zastosowania.

Jedna kilowatogodzina to praca wykonana przez urządzenie pracujące z mocą jednego kilowata przez godzinę. Oznacza to, że 1 kilowatogodzina równa jest 3 miliony 600 tysięcy dżuli.

Satelita na orbicie wokół Ziemi

Wokół Ziemi krąży satelita z bateriami ogniw słonecznych.

Do satelity dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu 1350 watów na metr kwadratowy.

Jaka energia dociera do baterii słonecznych w ciągu 1 minuty, jeśli ich powierzchnia wynosi 30 metrów kwadratowych?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- powierzchnia baterii S.

Szukane

Energia E = ?

Energia docierająca do atmosfery ziemskiej

Jaka energia słoneczna dociera w ciągu sekundy do powierzchni równej przekrojowi kuli ziemskiej?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- promień kuli ziemskiej R.

Szukane

Energia E = ?

Całkowita energia docierająca do atmosfery ziemskiej w ciągu doby.

Jaka energia dociera do tarczy Ziemi w ciągu doby?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- promień kuli ziemskiej R.

Szukane

Energia E = ?

Energia docierająca do atmosfery ziemskiej w ciągu roku

Jaka energia dociera do tarczy Ziemi w ciągu roku?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- promień kuli ziemskiej R.

Szukane

Energia E = ?

Energia emitowana przez Słońce

Słońce emituje promieniowanie w wielu zakresach. Można Słońce przybliżyć z dużą dokładnością do ciała doskonale czarnego (doskonałego promiennika). Każde promieniowanie niesie energię. Najwięcej energii ze Słońca dociera na Ziemię w postaci promieniowania nazywanego światłem widzialnym i niewidzialnym. Światłem niewidzialnym jest promieniowanie podczerwone nazywane inaczej promieniowaniem cieplnym (odczuwamy je jako ciepło, chociaż nie widzimy w tym zakresie.

Energia emitowana przez Słońce w ciągu jednej sekundy

Jaką energię emituje Słońce w ciągu sekundy?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- promień orbity Ziemi R w ruchu wokół Słońca.

Szukane

Energia E = ?

Energia emitowana przez Słońce w ciągu doby

Jaką energię emituje Słońce w ciągu doby?

Dane:

- stała słoneczna k,

- czas t,

- promień orbity Ziemi R w ruchu wokół Słońca.

Szukane

Energia E = ?

Źródło energii słonecznej

Energia emitowana przez Słońce w postaci promieniowania powstaje w trakcie reakcji termojądrowych – syntezy jąder helu z jąder wodoru (protonów). W trakcie wędrówki przez Słońce pierwotne promieniowanie gamma ulega przekształceniu i z powierzchni Słońca emitowane jest przede wszystkim promieniowanie w zakresie widzialnym.

W trakcie reakcji termojądrowych część materii występującej w postaci masy przekształca się w energię zgodnie ze wzorem Alberta Einsteina – zmiana energii równa jest iloczynowi zmiany masy i kwadratu prędkości światła w próżni.

Jaka masa Słońca ulega przekształceniu w energię w ciągu sekundy? Skorzystamy z wcześniej otrzymanych wyników.

Dane:

• prędkość światła c,
• energia emitowana przez Słońce w ciągu sekundy E.

Szukane

Masa przekształcona w energię promienistą m = ?

Zużycie materii słonecznej.

Ogromna ilość masy ulega przekształceniu w energię. Jaka jest to część masy Słońca?

Dane:

masa Słońca M,

masa ulegająca przekształceniu w energię w ciągu sekundy m.

Szukane:

Ułamek masy Słońca

Masa zużyta w ciągu życia Słońca

Wiek Słońca ocenia się na około 5 miliardów lat. Oszacuj jaka część masy Słońca uległa przemianie w promieniowanie (zużyła się na energię promienistą).

Porównania z warunkami ziemskimi

Otrzymane liczby niewiele powiedzą jeśli nie porównamy ich z warunkami na Ziemi. Podstawowym ziemskim paliwem jest benzyna otrzymywana z ropy naftowej. Do otrzymania energii cieplnej z benzyny trzeba ja spalić. W procesie tym występuje więc jeszcze tlen. Każdy to wie. Jakie ilości wchodziłyby w grę, gdyby energię słoneczną trzeba było zastąpić energią otrzymywaną z benzyny.

W naszych obliczeniach nie uwzględniamy wielu ważnych faktów, np. tego że bez Słońca (jego energii) nie byłoby na Ziemi wolnego tlenu i ropy naftowej.

Porównanie – energia wysłana przez Słońce a zużycie benzyny

W wyniku spalenia (utlenienia) z jednego kilograma benzyny uzyskuje się około 44 milionów dżuli energii. Oblicz ile trzeba spalić benzyny, żeby uzyskać energię wysłaną przez Słońce w ciągu jednej sekundy.

Porównanie – potrzebny do spalenia tlen

Do spalenia 1 kilograma benzyny trzeba około 3,6 kg tlenu. Oblicz jaka ilość tlenu jest potrzebna do spalenia benzyny dającej energię taką, jaka wyemitowana jest przez Słońce w ciągu jednej sekundy.

Porównanie – masa tlenu w atmosferze ziemskiej

Masa atmosfery ziemskiej równa jest około 5 miliardów miliardów kilogramów. Tlen stanowi około 21% masy atmosfery ziemskiej. Oszacuj masę tlenu w atmosferze ziemskiej. Zaproponuj porównanie liczb otrzymanych w ostatnich dwu zadaniach.