Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Θερμοκρασία του Αέρα (σελ. 33-34) – ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ Β ΕΠΑΛ

ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ Β ΕΠΑΛ ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ Β ΕΠΑΛ – ΛΥΣΕΙΣ – ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ Ασκήσεων Σχολικού Βιβλίου Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Θερμοκρασία του Αέρα (σελ. 33-34) – ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑ Β ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 2 · Θερμοκρασία του Αέρα (σελ. 33–34)

Απαντήσεις στις Ερωτήσεις Επανάληψης & στις Ασκήσεις-Εργασίες του βιβλίου.

Ηλιακή ακτινοβολία

Ερώτηση: (Ερ. 1) Μπορείτε να αναφέρετε και να περιγράψετε, με συντομία, ποια είδη ακτινοβολίας αποτελούν την ολική ηλιακή ακτινοβολία; (Ερ. 2) Μία ημέρα με νεφοσκεπή ουρανό, ποιο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας φθάνει στο έδαφος, η άμεση ή η διάχυτη; (Ερ. 3) Εκτός από την ολική ηλιακή ακτινοβολία, ποια άλλα είδη υπάρχουν στην ατμόσφαιρα; (Ερ. 4) Υπάρχει ανακλώμενη ακτινοβολία, άξια λόγου, όταν δεν υπάρχουν σύννεφα; (Ερ. 5) Μπορείτε να διατυπώσετε τον ορισμό της Ηλιακής σταθεράς; (Ερ. 6) Τη νύχτα, όταν το έδαφος ψύχεται, αποδίδοντας στην ακτινοβολία εδάφους την ενέργεια που συγκέντρωσε την ημέρα, έχουμε εντονότερη ψύξη όταν υπάρχουν σύννεφα ή όταν ο ουρανός είναι καθαρός; (Η απάντηση της προηγούμενης ερώτησης θα βοηθήσει).

Απάντηση:

Ολική ηλιακή ακτινοβολία = άμεση + διάχυτη. Άμεση: φθάνει στο έδαφος ως δέσμη παράλληλων ακτίνων (απευθείας ή μετά από διάθλαση). Διάχυτη: υφίσταται πολλαπλές διαθλάσεις στην ατμόσφαιρα και φθάνει από όλα τα σημεία του ουρανού.
Με νεφοσκεπή ουρανό η άμεση ακτινοβολία εμποδίζεται από τα νέφη· στο έδαφος φθάνει η διάχυτη.
Άλλα είδη: η ακτινοβολία εδάφους (γήινη), η ακτινοβολία της ατμόσφαιρας (υπέρυθρη, προς όλες τις κατευθύνσεις) και η ανακλώμενη ακτινοβολία.
Η ανακλώμενη ακτινοβολία ανακλάται από το έδαφος προς τα πάνω και στη συνέχεια από τα σύννεφα προς τα κάτω· χωρίς σύννεφα δεν υπάρχει ανακλώμενη ακτινοβολία άξια λόγου.
Ηλιακή σταθερά: η ποσότητα ηλιακής ενέργειας που δέχεται η μονάδα επιφάνειας σε ένα λεπτό, τοποθετημένη κάθετα στις ηλιακές ακτίνες, στα όρια της ατμόσφαιρας, στη μέση απόσταση Γης-ήλιου· ισούται με 2,0 Cal/cm²·min.
Η ψύξη είναι εντονότερη με καθαρό (αίθριο) ουρανό: τα σύννεφα ανακλούν πίσω προς το έδαφος την ακτινοβολία του και επιβραδύνουν την ψύξη.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ολική = άμεση + διάχυτη· με συννεφιά φθάνει η διάχυτη· άλλα είδη: γήινη, της ατμόσφαιρας, ανακλώμενη (χωρίς σύννεφα αμελητέα)· ηλιακή σταθερά 2,0 Cal/cm²·min· εντονότερη νυχτερινή ψύξη με καθαρό ουρανό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: είδη ακτινοβολίας, ορισμός ηλιακής σταθεράς και ρόλος των νεφών στην ανακλώμενη ακτινοβολία και στη νυχτερινή ψύξη.

Θερμότητα, θερμοκρασία ΚΑΙ όργανα

Ερώτηση: (Ερ. 7) Τι είναι θερμότητα; Τι θερμοκρασία; Μπορείτε να εξηγήσετε περιληπτικά τη διαφορά της θερμοκρασίας από τη θερμότητα; (Ερ. 8) Ποιοι είναι οι τρόποι μετάδοσης-ανταλλαγής θερμότητας; (Ερ. 9) Μπορείτε να περιγράψετε, με συντομία, σε ποια αρχή στηρίζεται το υδραργυρικό και το διμεταλλικό θερμόμετρο; Τι είναι θερμογράφος; (Ερ. 10) Σε τι μονάδες μετράμε τη θερμότητα; Ποια η αντιστοιχία τους με μονάδες ενέργειας; (Ερ. 11) Πώς ορίζουμε την ειδική θερμότητα και σε τι μονάδες μετριέται; Γνωρίζοντας ότι η ειδική θερμότητα του νερού είναι 1 Cal/gr.C°, δώστε ένα παράδειγμα.

Απάντηση:

Θερμότητα: μορφή ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα σώμα με μορφή ταλαντώσεων ή κινήσεων των σωματιδίων του. Θερμοκρασία: μετρά τη μέση ενέργεια των ατόμων ή μορίων εξαιτίας αυτών των κινήσεων. Η θερμότητα είναι ποσότητα ενέργειας, ενώ η θερμοκρασία δείχνει το «πόσο θερμό» είναι το σώμα· η θερμότητα ρέει πάντοτε από τις υψηλές προς τις χαμηλές θερμοκρασίες.
Τρόποι μετάδοσης: αγωγή, ρεύματα μεταφοράς, ακτινοβολία.
Υδραργυρικό: στηρίζεται στη διαστολή-συστολή του υδράργυρου μέσα σε λεπτό γυάλινο σωλήνα. Διμεταλλικό: στηρίζεται στο διαφορετικό συντελεστή διαστολής δύο συγκολλημένων μεταλλικών ελασμάτων, που κάμπτονται με τη θερμοκρασία και κινούν δείκτη. Θερμογράφος: ο δείκτης συνδέεται με γραφίδα που γράφει σε χαρτοταινία κινούμενη από ωρολογιακό μηχανισμό, δίνοντας διάγραμμα θερμοκρασίας-χρόνου.
Μονάδα θερμότητας: η θερμίδα (Cal), με 1 Cal = 4,184 Joule (αντίστοιχα 1 Joule ≈ 0,239 Cal).
Ειδική θερμότητα: η θερμότητα που χρειάζεται για να αυξηθεί κατά ένα βαθμό η θερμοκρασία της μονάδας μάζας ενός σώματος· μετριέται σε Cal/gr·°C. Παράδειγμα: για να θερμανθούν 500 gr νερού κατά 10 °C χρειάζονται \( Q = 500 \cdot 1 \cdot 10 = 5000 \) Cal.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θερμότητα = ενέργεια σώματος, θερμοκρασία = μέση ενέργεια μορίων· αγωγή, ρεύματα μεταφοράς, ακτινοβολία· θερμόμετρα με διαστολή (υδράργυρος / δύο μέταλλα), θερμογράφος = καταγραφικό· 1 Cal = 4,184 J· ειδική θερμότητα σε Cal/gr·°C (500 gr νερού, +10 °C → 5000 Cal).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ορισμοί, μονάδες με την αντιστοιχία του βιβλίου (4,184 J) και σωστό αριθμητικό παράδειγμα.

Θέρμανση ατμόσφαιρας

Ερώτηση: (Ερ. 12) Γράψαμε για τους τρόπους θέρμανσης της ατμόσφαιρας «Η ατμόσφαιρα θερμαίνεται από τον ήλιο. Μάλιστα, θερμαίνεται περισσότερο έμμεσα, δηλαδή από την ακτινοβολία εδάφους και από την επαφή με το έδαφος». Ανατρέξτε στην παράγραφο για τη διάδοση-ανταλλαγή θερμότητας και εξηγείστε ποιοι από τους τρεις μηχανισμούς, που είδαμε, έχουν εφαρμογή στη μεταφορά θερμότητας από το έδαφος στην ατμόσφαιρα. Εξηγείστε, γράφοντας 1-2 παραγράφους. (Ερ. 13) Γράψαμε στο κεφάλαιο για τους τρόπους θέρμανσης της ατμόσφαιρας «Το έδαφος θερμαίνεται από την Ηλιακή Ακτινοβολία σε βάθος μερικών εκατοστών, κατά τη διάρκεια της ημέρας. Τη νύχτα, η θερμότητα ακτινοβολείται προς την ατμόσφαιρα.» σε ποιο είδος ακτινοβολίας αναφερόμαστε σε κάθε περίπτωση; (Ερ. 14) Μπορείτε να περιγράψετε, με συντομία, γιατί η επιφάνεια της θάλασσας δεν εμφανίζει τις έντονες μεταβολές θερμοκρασίας που εμφανίζει η ξηρά μέσα σε κάθε εικοσιτετράωρο;

Απάντηση:

Και οι τρεις μηχανισμοί έχουν εφαρμογή. Η ακτινοβολία εδάφους είναι η πιο σημαντική: το θερμό έδαφος ακτινοβολεί (υπέρυθρα) προς την ατμόσφαιρα. Με αγωγή θερμαίνεται από την επαφή ένα λεπτό στρώμα αέρα ακριβώς πάνω από το έδαφος. Με ρεύματα μεταφοράς ο θερμός αέρας ανεβαίνει και μεταφέρει τη θερμότητα στα ανώτερα στρώματα.
Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει λίγο τον αέρα, επειδή η ατμόσφαιρα είναι διαφανής σε αυτήν· γι' αυτό η θέρμανση είναι κυρίως έμμεση.
Ημέρα: το έδαφος θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία (άμεση και διάχυτη, ορατό φως). Νύχτα: η θερμότητα φεύγει με την ακτινοβολία εδάφους ή γήινη ακτινοβολία (υπέρυθρη).
Θάλασσα: η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά τη θάλασσα σε αρκετό βάθος και η θερμότητα κατανέμεται σε βάθος, κάτι που ενισχύεται από την ανάμιξη εξαιτίας των κυματισμών και των άλλων κινήσεων του νερού. Έτσι η αύξηση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια είναι πολύ μικρή, ενώ η ξηρά θερμαίνεται μόνο σε βάθος μερικών εκατοστών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ακτινοβολία εδάφους (κυριότερη), αγωγή (λεπτό στρώμα) και ρεύματα μεταφοράς· ημέρα: ηλιακή ακτινοβολία, νύχτα: γήινη ακτινοβολία· η θάλασσα κατανέμει τη θερμότητα σε βάθος (διείσδυση ακτινοβολίας και ανάμιξη).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: ρόλος και των τριών μηχανισμών και η εξήγηση του βιβλίου για τη θάλασσα (κατανομή σε βάθος).

Μεταβολές ΚΑΙ θερμοβαθμίδα

Ερώτηση: (Ερ. 15) Μπορείτε να περιγράψετε και να εξηγήσετε περιληπτικά το μηχανισμό ημερήσιας μεταβολής της θερμοκρασίας; (Ερ. 16) Τι είναι ετήσιο και τι ημερήσιο θερμομετρικό εύρος; (Ερ. 17) Τι ονομάζουμε κατακόρυφη θερμοβαθμίδα; Η μέση μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος στην τροπόσφαιρα αποτελεί θετική ή αρνητική θερμοβαθμίδα; Εξηγείστε. (Ερ. 18) Τι ονομάζουμε θερμοκρασιακή αναστροφή και ποια είναι τα είδη της; (Εξηγείστε, χρησιμοποιώντας και διάγραμμα μεταβολής θερμοκρασίας με το ύψος) (Ερ. 19) Μπορείτε να περιγράψετε τι είναι οι ισόθερμες καμπύλες και πώς χαράσσονται;

Απάντηση:

Ημερήσια μεταβολή: με το πρώτο φως αρχίζει η θέρμανση του εδάφους· γύρω στο μεσημέρι, με τις ακτίνες πιο κοντά στην κατακόρυφο, η θέρμανση είναι εντονότερη. Η θερμοκρασία ακολουθεί με μικρή καθυστέρηση και φθάνει στο μέγιστο γύρω στις 14:00-15:00. Μετά η θέρμανση ελαττώνεται, το έδαφος ψύχεται όλη τη νύχτα και η θερμοκρασία φθάνει στο ελάχιστο λίγα λεπτά μετά το πρώτο φως.
Ημερήσιο θερμομετρικό εύρος: η διαφορά μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας της ημέρας. Ετήσιο: η διαφορά της μέσης θερμοκρασίας του θερμότερου μήνα από τη μέση θερμοκρασία του ψυχρότερου μήνα.
Κατακόρυφη θερμοβαθμίδα: η μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος. Όταν η θερμοκρασία ελαττώνεται με το ύψος, η θερμοβαθμίδα είναι θετική· όταν αυξάνεται, αρνητική. Στην τροπόσφαιρα η θερμοκρασία ελαττώνεται κατά 0,65 °C ανά 100 μ., άρα η μέση θερμοβαθμίδα είναι θετική.
Θερμοκρασιακή αναστροφή: η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος αντί να ελαττώνεται (αρνητική θερμοβαθμίδα στα κατώτερα στρώματα). Είδη: Επιφανειακή (αρχίζει από μηδενικό ύψος) και Ανωτέρα (εμφανίζεται ψηλότερα). Στο διάγραμμα θερμοκρασίας-ύψους η καμπύλη «γέρνει» προς υψηλότερες θερμοκρασίες στο τμήμα της αναστροφής.
Ισόθερμες: καμπύλες που συνδέουν στο χάρτη τους τόπους με την ίδια θερμοκρασία την ίδια χρονική στιγμή ή περίοδο· χαράσσονται ενώνοντας τα σημεία ίσης θερμοκρασίας και δεν τέμνονται.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μέγιστο 14:00-15:00, ελάχιστο λίγο μετά το πρώτο φως· ημερήσιο εύρος = μέγιστη − ελάχιστη ημέρας, ετήσιο = θερμότερος − ψυχρότερος μήνας· στην τροπόσφαιρα η θερμοβαθμίδα είναι θετική· αναστροφή Επιφανειακή και Ανωτέρα· ισόθερμες = καμπύλες ίσης θερμοκρασίας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: σωστό πρόσημο θερμοβαθμίδας κατά τη σύμβαση του βιβλίου (ελάττωση = θετική) και τα δύο είδη αναστροφής.

Ενέργεια σε επιφάνεια (ηλιακή σταθερά)

Ερώτηση: Πόσες θερμίδες δέχεται μία επιφάνεια 10 cm², κάθετη στις ηλιακές ακτίνες, σε χρόνο 10 λεπτών, αν υποθέσουμε ότι βρίσκεται στα όρια της ατμόσφαιρας; · Πόσες θερμίδες δέχεται μία επιφάνεια 10 cm², σε γωνία 45 μοιρών, σε σχέση με τις ηλιακές ακτίνες, σε χρόνο 10 λεπτών, αν υποθέσουμε ότι βρίσκεται στα όρια της ατμόσφαιρας;

Απάντηση:

Ηλιακή σταθερά \( S = 2{,}0\ \text{Cal/cm}^2\cdot\text{min} \).
(α) Κάθετη: \( Q = 2{,}0 \times 10 \times 10 = 200\ \text{Cal} \).
(β) Υπό γωνία 45°: η επιφάνεια «πιάνει» ακτίνες σαν να είχε εμβαδόν \( 10 \cdot \sin 45° \approx 7{,}07\ \text{cm}^2 \), άρα \( Q = 200 \times 0{,}707 \approx 141{,}4\ \text{Cal} \).

Σύνοψη: (α) 200 cal, (β) ≈141,4 cal.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: S × εμβαδόν × χρόνος και ο πρόσθετος παράγοντας ημ45° = συν45° ≈ 0,707 για την κεκλιμένη επιφάνεια.

Watt ΚΑΙ cal/sec

Ερώτηση: Είδαμε στο κείμενο ότι, αν σε ένα σώμα δίνουμε ισχύ ένα Watt, η θερμότητα του αυξάνεται με ρυθμό 0.2389 Cal/sec. Δείξατε αναλυτικά, πώς καταλήξαμε σε αυτή τη σχέση (1 Joule/sec = 1 Watt);

Απάντηση:

\( 1\ \text{W} = 1\ \text{J/s} \): ισχύς 1 W σημαίνει ότι το σώμα δέχεται 1 J ενέργειας κάθε δευτερόλεπτο.
Αφού \( 1\ \text{Cal} = 4{,}184\ \text{J} \), είναι \( 1\ \text{J} = \dfrac{1}{4{,}184}\ \text{Cal} \approx 0{,}239\ \text{Cal} \).
Άρα \( 1\ \text{W} = 1\ \text{J/s} \approx 0{,}239\ \text{Cal/s} \).

Σύνοψη: 1 W = 1 J/s = (1/4,184) Cal/s ≈ 0,239 Cal/s. Σημείωση: το βιβλίο δίνει 0,2389 Cal/s, τιμή που αντιστοιχεί σε 1 Cal = 4,186 J.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: μετατροπή J → Cal με την αντιστοιχία 1 Cal = 4,184 J.

Μετατροπές θερμοκρασίας

Ερώτηση: Σε τι αντιστοιχεί, σε βαθμούς Κελσίου και Κέλβιν, θερμοκρασία -20 F°; · Σε τι αντιστοιχεί, σε βαθμούς Κελσίου και Κέλβιν, θερμοκρασία +20 F°; · Να χρησιμοποιήσετε τον τύπο που μετατρέπει θερμοκρασία Φαρενάιτ σε θερμοκρασία Κελσίου, και να διατυπώσετε σχέσεις που (1) μετατρέπουν θερμοκρασία Φαρενάιτ σε θερμοκρασία Κέλβιν (2) θερμοκρασία Κελσίου σε θερμοκρασία Φαρενάιτ (3) θερμοκρασία Κέλβιν σε θερμοκρασία Φαρενάιτ.

Απάντηση:

Τύπος: \( C = (F-32)\cdot\dfrac{5}{9} \), \( K = C + 273{,}15 \).
−20 °F: \( C = (-20-32)\cdot\frac{5}{9} = -28{,}9\,°C \); \( K = 244{,}3\,K \).
+20 °F: \( C = (20-32)\cdot\frac{5}{9} = -6{,}7\,°C \); \( K = 266{,}5\,K \).
Σχέσεις: F→K: \( K=(F-32)\frac{5}{9}+273{,}15 \)· C→F: \( F=C\frac{9}{5}+32 \)· K→F: \( F=(K-273{,}15)\frac{9}{5}+32 \).

Σύνοψη: −20 °F = −28,9 °C = 244,3 K· +20 °F = −6,7 °C = 266,5 K· + τύποι.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Κριτήριο: σωστός τύπος και τιμές (συμφωνούν με τον Πίνακα 1 του βιβλίου: -20 F° = -28,9 °C = 244,3 K, +20 F° = -6,7 °C = 266,5 K).

Όριο υδραργυρικού θερμομέτρου

Ερώτηση: Ποια είναι η μικρότερη θερμοκρασία, σε βαθμούς Farenheit και Kelvin, που μπορεί να μετρήσει κανείς με υδραργυρικό θερμόμετρο; Τι συμβαίνει για μικρότερες θερμοκρασίες; Εξηγείστε.

Απάντηση:

Ο υδράργυρος στερεοποιείται περίπου στους \( -39\,°C \), οπότε το υδραργυρικό θερμόμετρο δεν μετρά χαμηλότερα.
Σε Farenheit: \( F = -39 \cdot \frac{9}{5} + 32 = -38{,}2\,°F \). Σε Kelvin: \( K = -39 + 273{,}15 = 234{,}15\,K \approx 234\,K \).
Για μικρότερες θερμοκρασίες ο υδράργυρος στερεοποιείται και δεν διαστέλλεται-συστέλλεται στο σωλήνα· χρησιμοποιείται θερμόμετρο οινοπνεύματος, που βασίζεται στην ίδια ακριβώς αρχή.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Περίπου -39 °C ≈ -38,2 °F ≈ 234 K· πιο κάτω ο υδράργυρος στερεοποιείται, οπότε χρησιμοποιείται θερμόμετρο οινοπνεύματος.

Κριτήρια αξιολόγησης: