- Vlastnosti tepelného žiarenia
- Príklady tepelného žiarenia
- Tepelné žiarenie od Slnka
- Viedenský zákon
- Aplikácie tepelného žiarenia
- Solárna energia
- Infračervené kamery
- pyrometrie
- astronómie
- Vojenský priemysel
- Referencie
Tepelné žiarenie je energia prenášaná prostredníctvom telesa s jeho teplotou a vlnové dĺžky infračerveného elektromagnetického spektra. Všetky telá bez výnimky emitujú infračervené žiarenie, bez ohľadu na to, ako nízka je ich teplota.
Stáva sa, že keď sú v zrýchlenom pohybe, oscilujú elektricky nabité častice a vďaka svojej kinetickej energii neustále vyžarujú elektromagnetické vlny.
Obrázok 1. Veľmi dobre poznáme tepelné žiarenie pochádzajúce zo Slnka, ktoré je v skutočnosti hlavným zdrojom tepelnej energie. Zdroj: Pxhere.
Jediný spôsob, ako telo nevydáva tepelné žiarenie, je, že jeho častice sú úplne v pokoji. Týmto spôsobom by jeho teplota bola 0 na Kelvinovej stupnici, ale zníženie teploty objektu na taký bod je niečo, čo sa ešte nedosiahlo.
Vlastnosti tepelného žiarenia
Pozoruhodnou vlastnosťou, ktorá odlišuje tento mechanizmus prenosu tepla od ostatných, je to, že na jeho výrobu nepotrebuje materiálne médium. Napríklad energia vyžarovaná Slnkom prechádza vesmírom 150 miliónov kilometrov a nepretržite dosahuje Zem.
Existuje matematický model, ktorý pozná množstvo tepelnej energie za jednotku času, ktorú objekt vyžaruje:
Táto rovnica je známa ako Stefanov zákon a objavujú sa nasledujúce veličiny:
- tepelná energia za jednotku času P, ktorá je známa ako výkon a ktorej jednotkou v medzinárodnom systéme jednotiek je watt alebo watt (W).
- Povrchová plocha objektu, ktorý emituje teplo A, v metroch štvorcových.
-A konštantný, tzv Stefan - Boltzmannova konštanta , označený å a, ktorého hodnota je 5,66963 x10 -8 W / m 2 K 4 ,
- emisivita (tiež nazývaná emisivita ) objektu e, bezrozmerná veličina (bez jednotiek), ktorej hodnota je medzi 0 a 1. Súvisí to s povahou materiálu: napríklad zrkadlo má nízku emisivitu, zatiaľ čo veľmi tmavé telo má vysoká emisivita.
- A nakoniec teplota T v kelvinoch.
Príklady tepelného žiarenia
Podľa Stefanovho zákona je miera, pri ktorej objekt vyžaruje energiu, úmerná ploche, emisivite a štvrtej sile teploty.
Pretože rýchlosť emisie tepelnej energie závisí od štvrtého výkonu T, je zrejmé, že malé zmeny teploty budú mať obrovský vplyv na emitované žiarenie. Napríklad, ak sa teplota zdvojnásobí, žiarenie sa zvýši 16-krát.
Špeciálnym prípadom Stefanovho zákona je dokonalý žiarič, úplne nepriehľadný objekt nazývaný čierne telo, ktorého emisivita je presne 1. V tomto prípade Stefanov zákon vyzerá takto:
Stáva sa, že Stefanov zákon je matematický model, ktorý zhruba popisuje žiarenie emitované akýmkoľvek objektom, pretože emisivitu považuje za konštantnú. Emisivita v skutočnosti závisí od vlnovej dĺžky vyžarovaného žiarenia, povrchovej úpravy a ďalších faktorov.
Ak je e považované za konštantné a uplatňuje sa Štefanov zákon, ako je naznačené na začiatku, objekt sa nazýva sivé telo.
Hodnoty emisivity pre niektoré látky považované za sivé telo sú:
- leštený hliník 0,05
-Čierny uhlík 0,95
- Ľudská koža akejkoľvek farby 0.97
-Dobré 0,91
-Ice 0,92
- Voda 0,91
-Copper medzi 0,015 a 0,025
-Steel medzi 0,06 a 0,25
Tepelné žiarenie od Slnka
Hmatateľným príkladom predmetu, ktorý vyžaruje tepelné žiarenie, je Slnko. Odhaduje sa, že každú sekundu približne 3 370 J energie vo forme elektromagnetického žiarenia dopadne na Zem od Slnka.
Táto hodnota je známa ako solárna konštanta a každá planéta má jednu, ktorá závisí od jej priemernej vzdialenosti od Slnka.
Toto žiarenie kolmo prechádza každým m 2 atmosférických vrstiev a je distribuovaný v rôznych vlnových dĺžkach.
Takmer všetko prichádza vo forme viditeľného svetla, ale veľká časť je ako infračervené žiarenie, ktoré presne vnímame ako teplo a niektoré tiež ako ultrafialové lúče. Je to veľké množstvo energie, ktorá uspokojí potreby planéty, aby bolo možné ju správne zachytiť a využívať.
Pokiaľ ide o vlnovú dĺžku, jedná sa o rozsahy, v ktorých sa nachádza slnečné žiarenie, ktoré dosahuje Zem:
- Infračervené žiarenie , ktoré vnímame ako teplo: 100 - 0,7 μm *
- Viditeľné svetlo medzi 0,7 - 0,4 μm
- ultrafialové žiarenie , menšie ako 0,4 μm
* 1 μm = 1 mikrometer alebo jedna milióntina metra.
Viedenský zákon
Obrázok nižšie ukazuje distribúciu žiarenia na vlnovú dĺžku pri rôznych teplotách. Distribučné riadi Wien posunutie zákon, podľa ktorého je vlnová dĺžka Maximálna intenzita žiarenia lambda max je nepriamo úmerná teplote T v kelvinoch:
λ max T = 2.898. 10 -3 m⋅K
Obrázok 2. Graf žiarenia ako funkcie vlnovej dĺžky čierneho telesa. Zdroj: Wikimedia Commons.
Slnko má povrchovú teplotu približne 5 700 K a vyžaruje predovšetkým na kratších vlnových dĺžkach, ako sme videli. Krivka, ktorá sa najviac približuje krivke Slnka, je 5 000 K, modrá a samozrejme má maximum v rozsahu viditeľného svetla. Ale tiež emituje dobrú časť v infračervenom a ultrafialovom svetle.
Aplikácie tepelného žiarenia
Solárna energia
Veľké množstvo energie, ktorú Slnko vyžaruje, môže byť uložené v zariadeniach nazývaných kolektory, ktoré ho neskôr transformujú a využívajú ako elektrickú energiu.
Infračervené kamery
Sú to kamery, ktoré, ako už názov napovedá, fungujú v infračervenej oblasti namiesto vo viditeľnom svetle, ako bežné fotoaparáty. Využívajú skutočnosť, že všetky telá vyžarujú tepelné žiarenie vo väčšej alebo menšej miere v závislosti od teploty.
Obrázok 3. Obrázok psa zachyteného infračervenou kamerou. Ľahšie oblasti pôvodne predstavujú oblasti s najvyššou teplotou. Farby, ktoré sa pridávajú počas spracovania na uľahčenie interpretácie, ukazujú rôzne teploty v tele zvieraťa. Zdroj: Wikimedia Commons.
pyrometrie
Ak sú teploty veľmi vysoké, meranie pomocou ortuťového teplomera nie je najlepšou voľbou. Na tento účel sú výhodné pyrometre, prostredníctvom ktorých sa odvodzuje teplota predmetu, ktorý pozná emisivitu vďaka emisii elektromagnetického signálu.
astronómie
Hviezdne svetlo je veľmi dobre modelované s aproximáciou čierneho tela, ako aj celého vesmíru. Viedenský zákon sa v astronómii často používa na určovanie teploty hviezd podľa vlnovej dĺžky svetla, ktoré vyžarujú.
Vojenský priemysel
Rakety sú namierené na cieľ pomocou infračervených signálov, ktoré sa snažia zistiť najteplejší oblasti lietadla, napríklad motory.
Referencie
- Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2 .. Ed. McGraw Hill.
- Gómez, E. Vedenie, prúdenie a žiarenie. Získané z: eltamiz.com.
- González de Arrieta, I. Aplikácie tepelného žiarenia. Získané z: www.ehu.eus.
- Observatórium NASA. Klimatický a pozemský energetický rozpočet. Obnovené z: earthobservatory.nasa.gov.
- Natahenao. Tepelné aplikácie. Obnovené z: natahenao.wordpress.com.
- Serway, R. Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 1. 7.. Ed. Cengage Learning.