PROMIENIOWANIE CIEPLNE: WŁAŚCIWOŚCI, PRZYKŁADY, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Promieniowanie cieplne jest energia przenoszona przez korpus z jej temperatury i od długości fal podczerwieni widma elektromagnetycznego. Wszystkie ciała bez wyjątku emitują trochę promieniowania podczerwonego, bez względu na to, jak niska jest ich temperatura.

Zdarza się, że gdy są w przyspieszonym ruchu, naładowane elektrycznie cząsteczki oscylują i dzięki swojej energii kinetycznej nieprzerwanie emitują fale elektromagnetyczne.

Rysunek 1. Bardzo dobrze znamy promieniowanie cieplne pochodzące od Słońca, które jest w rzeczywistości głównym źródłem energii cieplnej. Źródło: Pxhere.

Jedynym sposobem, w jaki organizm nie emituje promieniowania cieplnego, jest całkowity spoczynek jego cząstek. W ten sposób jego temperatura wynosiłaby 0 w skali Kelvina, ale obniżenie temperatury obiektu do takiego punktu jest czymś, czego jeszcze nie osiągnięto.

Właściwości promieniowania cieplnego

Niezwykłą cechą, która odróżnia ten mechanizm wymiany ciepła od innych, jest to, że do jego wytworzenia nie jest potrzebne medium materialne. Na przykład energia emitowana przez Słońce przemieszcza się w przestrzeni kosmicznej przez 150 milionów kilometrów i dociera do Ziemi w sposób ciągły.

Istnieje model matematyczny pozwalający poznać ilość energii cieplnej na jednostkę czasu, którą wypromieniowuje obiekt:

To równanie jest znane jako prawo Stefana i pojawiają się następujące wielkości:

- Energia cieplna na jednostkę czasu P, zwaną mocą, której jednostką w międzynarodowym układzie jednostek jest wat lub wat (W).

-The powierzchnia obiektu, który emituje termiczną w metrach kwadratowych.

-Stała, zwana stałą Stefana - Boltzmana , oznaczona σ i której wartość wynosi 5,66963 x ^10-8 W / m ² K ⁴ ,

- Emisyjność (zwana również emisyjnością) obiektu i bezwymiarowa ilość (bezjednostkowa), której wartość zawiera się w przedziale od 0 do 1. Jest to związane z naturą materiału: takie lustro ma niską emisyjność, podczas gdy bardzo ciemne ciało ma wysoka emisyjność.

-Na koniec temperatura T w kelwinach.

Przykłady promieniowania cieplnego

Zgodnie z prawem Stefana szybkość, z jaką obiekt wypromieniowuje energię, jest proporcjonalna do powierzchni, emisyjności i czwartej potęgi temperatury.

Ponieważ tempo emisji energii cieplnej zależy od czwartej potęgi T, jasne jest, że niewielkie zmiany temperatury będą miały ogromny wpływ na emitowane promieniowanie. Na przykład, jeśli temperatura się podwoi, promieniowanie wzrośnie 16-krotnie.

Szczególnym przypadkiem prawa Stefana jest doskonały grzejnik, całkowicie nieprzezroczysty obiekt zwany ciałem czarnym, którego emisyjność wynosi dokładnie 1. W tym przypadku prawo Stefana wygląda następująco:

Zdarza się, że prawo Stefana jest modelem matematycznym, który z grubsza opisuje promieniowanie emitowane przez dowolny obiekt, ponieważ traktuje emisyjność jako stałą. Emisyjność w rzeczywistości zależy od długości fali emitowanego promieniowania, wykończenia powierzchni i innych czynników.

Kiedy e jest uważane za stałe i stosuje się prawo Stefana, jak wskazano na początku, wówczas obiekt nazywany jest szarym ciałem.

Wartości emisyjności dla niektórych substancji traktowanych jako ciało szare to:

-Polerowane aluminium 0,05

-Czarny węgiel 0.95

-Ludzka skóra dowolnego koloru 0,97

-Drewno 0.91

-Lód 0,92

-Woda 0.91

-Miedź między 0,015 a 0,025

-Stal między 0,06 a 0,25

Promieniowanie cieplne Słońca

Namacalnym przykładem obiektu emitującego promieniowanie cieplne jest Słońce. Szacuje się, że co sekundę ze Słońca do Ziemi dociera około 1370 J energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

Ta wartość jest znana jako stała słoneczna i każda planeta ma taką, która zależy od jej średniej odległości od Słońca.

To promieniowanie prostopadle przechodzi przez każdy m ² warstw atmosferycznych i jest podzielone na różne długości fal.

Prawie wszystko to występuje w postaci światła widzialnego, ale duża część to promieniowanie podczerwone, które jest dokładnie tym, co odbieramy jako ciepło, a niektóre także jako promienie ultrafioletowe. To duża ilość energii wystarczająca do zaspokojenia potrzeb planety, aby ją uchwycić i właściwie wykorzystać.

Pod względem długości fali są to zakresy, w których znajduje się promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi:

- Podczerwień , którą odbieramy jako ciepło: 100 - 0,7 μm *

- Światło widzialne , od 0,7 do 0,4 μm

- Ultrafiolet , mniej niż 0,4 μm

* 1 μm = 1 mikrometr lub jedna milionowa metra.

Prawo Wiena

Poniższy obraz przedstawia rozkład promieniowania na długości fali dla różnych temperatur. Dystrybucji przestrzega prawo przemieszczenie Wien, zgodnie z którym długość fali maksimum Promieniowaniem X _max jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury T w stopniach Kelvina:

λ _max T = 2,898. 10 ^-3 m⋅K

Rysunek 2. Wykres promieniowania jako funkcja długości fali ciała doskonale czarnego. Źródło: Wikimedia Commons.

Słońce ma temperaturę powierzchniową około 5700 K i, jak widzieliśmy, promieniuje głównie na krótszych długościach fal. Krzywa najbardziej zbliżona do krzywej Słońca to krzywa 5000 K, w kolorze niebieskim i oczywiście ma maksimum w zakresie światła widzialnego. Ale emituje również dużą część w podczerwieni i ultrafiolecie.

Zastosowania promieniowania cieplnego

Energia słoneczna

Duża ilość energii, którą promieniuje Słońce, może być przechowywana w urządzeniach zwanych kolektorami, aby później ją przekształcić i wygodnie wykorzystać jako energię elektryczną.

Kamery na podczerwień

Są to kamery, które, jak sama nazwa wskazuje, działają w obszarze podczerwieni zamiast w świetle widzialnym, jak zwykłe kamery. Wykorzystują fakt, że wszystkie ciała emitują promieniowanie cieplne w większym lub mniejszym stopniu w zależności od ich temperatury.

Rysunek 3. Obraz psa uchwycony kamerą termowizyjną. Pierwotnie jaśniejsze obszary reprezentowały te o najwyższej temperaturze. Kolory, które są dodawane podczas obróbki w celu ułatwienia interpretacji, pokazują różne temperatury ciała zwierzęcia. Źródło: Wikimedia Commons.

Pirometria

Jeśli temperatury są bardzo wysokie, pomiar za pomocą termometru rtęciowego nie jest najlepszym rozwiązaniem. W tym celu preferowane są pirometry, dzięki którym można wydedukować temperaturę obiektu znając jego emisyjność, dzięki emisji sygnału elektromagnetycznego.

Astronomia

Światło gwiazd jest bardzo dobrze modelowane z przybliżeniem ciała czarnego, a także całego wszechświata. Ze swojej strony prawo Wiena jest często używane w astronomii do określania temperatury gwiazd na podstawie długości fali światła, które emitują.

Przemysł wojskowy

Pociski są wycelowane w cel za pomocą sygnałów podczerwieni, które mają na celu wykrycie najgorętszych obszarów w samolotach, takich jak na przykład silniki.

Bibliografia

1. Giambattista, A. 2010. Fizyka. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez E. Przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie. Odzyskany z: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Zastosowania promieniowania cieplnego. Odzyskane z: www.ehu.eus.
4. Obserwatorium Ziemi NASA. Klimat i budżet energetyczny Ziemi. Odzyskany z: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Zastosowania ciepła. Odzyskany z: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. 7th. Ed. Cengage Learning.