Swali

Katika siku yenye joto na ukavu, mti mkubwa wenye maji ya kutosha unaweza kutoa kwa uvukizaji na utoaji wa mvuke kiasi cha karibu $500\,\text{L}=5{,}0\times10^{-1}\,\text{m}^3$ . Kwa kuwa utoaji wa mvuke hutokea hasa kwenye mwanga, tutadhani unasambaa kwa saa kumi na mbili. Majani ya mti yanafunika eneo la ardhini $A_{\text{mti}}=50\,\text{m}^2$ . Kwenye shinikizo la angahewa, densiti ya maji na joto fiche la uvukizaji ni

\rho_{\text{maji}}=1{,}0\times10^3\,\text{kg}\!\cdot\!\text{m}^{-3}, \qquad L_v=2{,}26\times10^6\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}.

Kokotoa misa ya maji inayotolewa na mti kwa siku, kisha nishati ya kuyavukiza.
Eleza kwa nini jambo hili linaleta athari ya upoozaji.
Kokotoa nguvu wastani ya upoozaji ya mti kwa kila mita ya mraba katika saa kumi na mbili za utoaji hai wa mvuke.
Kwa kulinganisha, kiyoyozi kinatumia nguvu ya umeme $P_{\mathrm{elec}}=7{,}0\times10^2\,\text{W}$ , kina mgawo wa utendaji $\mathrm{COP}=3{,}0$ , na kupooza chumba cha eneo $A_{\text{chumba}}=20\,\text{m}^2$ . Kwa ufafanuzi, $\mathrm{COP}=\frac{P_{\text{baridi}}}{P_{\mathrm{elec}}},$ ambapo $P_{\text{baridi}}$ ni nguvu ya joto inayoondolewa chumbani. Kokotoa $P_{\text{baridi}}$ na nguvu yake kwa kila mita ya mraba, kisha linganisha na mti.
Kwa nini hatuwezi kuhitimisha kuwa mti na kiyoyozi hutoa upoozaji unaohisiwa sawa kabisa hata kama nguvu zao kwa kila eneo zina kiwango kimoja cha ukubwa?
Je, kwa maoni yako, mimea mingi ya ndani inaweza kupooza nyumba? (Maarifa ya jumla: jibu hutegemea michakato ya kibiolojia.)

Kidokezo

Tumia

m=\rho V

,

Q_{\mathrm{evap}}=mL_v

na

P=Q/\tau

. Kwa kiyoyozi,

P_{\text{baridi}}=\mathrm{COP}\,P_{\mathrm{elec}}

.

Jibu la kina

Suluhisho

1.

500\,\text{L}=5{,}0\times10^{-1}\,\text{m}^3

, kwa hiyo

m=\rho_{\text{maji}}V=1{,}0\times10^3\times5{,}0\times10^{-1}=5{,}0\times10^2\,\text{kg},

na

Q_{\mathrm{evap}}=mL_v=5{,}0\times10^2\times2{,}26\times10^6=1{,}13\times10^9\,\text{J}.

Kiwango chake ni gigajouli moja.

2. Uvukizaji ni mabadiliko ya hali yanayofyonza joto: unahitaji nishati

Q_{\mathrm{evap}}

. Nishati hii hutoka hasa kwenye mionzi ya jua inayofyonzwa na majani: badala ya kupasha joto jani (joto linaloonekana), nishati ya jua inayopokelewa hubadilishwa kuwa joto fiche la uvukizaji. Hivyo jani hubaki baridi zaidi kuliko ingekuwa kama nishati yote iliyofyonzwa ingeongeza halijoto yake, na hiyo ndiyo chanzo cha athari ya upoozaji ya uvukizaji na utoaji wa mvuke. 3. Saa kumi na mbili ni

\tau=12\times3600=4{,}32\times10^4\,\text{s}

. Hivyo

P_{\text{mti}}=\frac{Q_{\mathrm{evap}}}{\tau} =\frac{1{,}13\times10^9}{4{,}32\times10^4} \approx2{,}62\times10^4\,\text{W},

na kwa $50\,\text{m}^2$ ,

\frac{P_{\text{mti}}}{A_{\text{mti}}}\approx5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.

Uhakiki wa uwezekano: kwa kuwa nishati hii hutoka hasa kwenye mionzi ya jua iliyofyonzwa (swali la 2), ni jambo la kutia moyo kuona kuwa $5{,}2\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ ina kiwango sawa cha ukubwa na mnururisho wa jua unaofika ardhini siku isiyo na mawingu, ambao hufikia takribani $10^3\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ wakati wa kilele na mamia machache ya $\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}$ kwa wastani wa siku. Hii inathibitisha kuwa mti wenye maji ya kutosha, katika siku yenye joto na jua, unaweza kuondoa kwa utoaji wa mvuke sehemu kubwa ya nishati ya jua unayopokea.

4.

P_{\text{baridi}}=\mathrm{COP}\,P_{\mathrm{elec}}=3{,}0\times7{,}0\times10^2=2{,}1\times10^3\,\text{W},

na

\frac{P_{\text{baridi}}}{A_{\text{chumba}}}=\frac{2{,}1\times10^3}{20}\approx1{,}1\times10^2\,\text{W}\!\cdot\!\text{m}^{-2}.

Katika modeli hii, uvukizaji na utoaji wa mvuke wa mti una nguvu karibu mara tano ya kiyoyozi cha kawaida.

5. Ulinganisho unahusu tu mtiririko wa nishati. Kiyoyozi hupooza ujazo uliofungwa na kudhibitiwa, lakini mvuke wa mti hutawanyika angani na upepo huleta hewa moto. Athari inayohisiwa hutegemea uingizaji hewa, unyevunyevu, halijoto ya mazingira na umbali kutoka kwa mti. Utoaji wa mvuke pia hubadilika kwa mwanga, upepo, unyevunyevu, spishi na maji yaliyopo, na unaweza kupungua sana wakati wa ukame. Kwa upande mwingine, mti pia hutoa kivuli. Kwa hiyo hesabu hizi hulinganisha kiwango cha ukubwa, si usawa kamili wa faraja ya joto. 6. Kwa vitendo, upoozaji wa mimea ya ndani ungekuwa mdogo sana. Kwa mimea mingi, mwanga hufungua stomata ambazo mvuke wa maji hupitia; mwanga wa ndani kwa kawaida ni hafifu, hivyo stomata hufunguka kidogo. Katika chumba kisicho na uingizaji hewa mzuri, unyevunyevu unaoongezeka pia hupunguza uvukizaji. Mimea mingi inaweza kutoa upoozaji mdogo wa karibu, lakini haiwezi kuchukua nafasi ya kiyoyozi. Hewa yenye unyevunyevu ingepaswa kupelekwa nje. Mwanga mkali wa bandia unaweza kuongeza utoaji wa mvuke, lakini nishati yake ya umeme hatimaye hubadilika karibu yote kuwa joto chumbani. Mimea ya CAM ya mazingira kavu, kama kaktasi, ni tofauti: stomata zake hufunguka hasa usiku.