- Svojstva toplinskog zračenja
- Primjeri toplinskog zračenja
- Toplinsko zračenje iz Sunca
- Wien zakon
- Primjene toplinskog zračenja
- Solarna energija
- Infracrvene kamere
- Pyrometry
- Astronomija
- Vojna industrija
- Reference
Toplinsko zračenje je energija prenosi tijelo sa svoje temperature i valnim duljinama infracrvenog elektromagnetskog spektra. Sva tijela bez iznimke emitiraju neko infracrveno zračenje, bez obzira na njihovu nisku temperaturu.
Događa se da, kada su u ubrzanom gibanju, električno nabijene čestice osciliraju i zahvaljujući kinetičkoj energiji neprekidno emitiraju elektromagnetske valove.
Slika 1. Vrlo smo dobro upoznati s toplinskim zračenjem koje dolazi od Sunca, a koje je zapravo glavni izvor toplinske energije. Izvor: Pxhere.
Jedini način na koji tijelo ne emitira toplinsko zračenje jest da njegove čestice potpuno miruju. Na taj bi način njegova temperatura bila 0 na Kelvinovoj ljestvici, ali spuštanje temperature nekog objekta na takvu točku nešto što još nije postignuto.
Svojstva toplinskog zračenja
Izuzetno svojstvo koje ovaj mehanizam prijenosa topline razlikuje od drugih je to što za proizvodnju ne treba materijalni medij. Tako, primjerice, Sunčeva energija putuje 150 milijuna kilometara kroz svemir i neprekidno doseže Zemlju.
Postoji matematički model koji zna količinu toplinske energije po jedinici vremena koju objekt zrači:
Ova je jednadžba poznata kao Stefanov zakon i pojavljuju se sljedeće količine:
- Toplinska energija po jedinici vremena P, koja je poznata kao snaga i čija je jedinica u Međunarodnom sustavu jedinica vata ili vata (W).
-U površina objekta koji emitira toplinu A, u kvadratnim metrima.
-Konstanta, koja se zove Stefan - Boltzmanova konstanta, označena s σ i čija je vrijednost 5.66963 x10 -8 W / m 2 K 4,
-U smanjene propusnosti (naziva se emittance) predmeta e, bezdimenzijska je veličina (bez jedinice), čija je vrijednost između 0 i 1. To se odnosi na prirodu materijala: na primjer, ogledalo ima niske emisije, a vrlo tamno tijelo ima visoka emisivnost.
-I na kraju temperatura T u kelvinu.
Primjeri toplinskog zračenja
Prema Stefanovom zakonu, brzina kojom neki predmet zrači energijom proporcionalna je području, emisivnosti i četvrtoj snazi temperature.
Budući da brzina emisije toplinske energije ovisi o četvrtoj snazi T, jasno je da će male promjene temperature imati ogroman utjecaj na zračenje koje se emitira. Na primjer, ako se temperatura udvostruči, zračenje bi se povećalo 16 puta.
Poseban slučaj Stefanovog zakona savršen je radijator, potpuno neproziran objekt nazvan crnim tijelom, čija je emisijska snaga točno 1. U ovom slučaju, Stefanin zakon izgleda ovako:
Dešava se da je Stefanov zakon matematički model koji otprilike opisuje zračenje koje emitira bilo koji objekt budući da emisijsku snagu smatra konstantom. Emisivnost zapravo ovisi o valnoj duljini emitiranog zračenja, površinskoj završenosti i drugim čimbenicima.
Ako se e smatra konstantnim i Stefan se primjenjuje kao što je naznačeno na početku, objekt se naziva sivim tijelom.
Vrijednosti emisije za neke tvari koje se tretiraju kao sivo tijelo su:
-Polirani aluminij 0,05
-Bračni ugljik 0,95
-Ljudska koža bilo koje boje 0,97
-Druga 0,91
-Ice 0.92
-Voda 0,91
-Koper između 0,015 i 0,025
-Pokret između 0,06 i 0,25
Toplinsko zračenje iz Sunca
Opipljiv primjer objekta koji emitira toplinsko zračenje je Sunce. Procjenjuje se da svake sekunde oko 1370 J energije u obliku elektromagnetskog zračenja dosegne Zemlju sa Sunca.
Ova je vrijednost poznata kao solarna konstanta i svaki planet ima jedan, što ovisi o njezinoj prosječnoj udaljenosti od Sunca.
To zračenje okomito prolazi kroz svaki m 2 atmosferskih slojeva i raspoređuje se u različitim valnim duljinama.
Gotovo sve dolazi u obliku vidljive svjetlosti, ali dobar dio dolazi kao infracrveno zračenje, upravo ono što percipiramo kao toplinu, a neki i kao ultraljubičasto zračenje. To je velika količina energije koja je dovoljna da zadovolji potrebe planeta, kako bi je uhvatili i pravilno iskoristili.
U pogledu valne duljine, to su rasponi unutar kojih se nalazi sunčevo zračenje koje doseže Zemlju:
- infracrveno, što doživljavamo kao toplinu: 100 - 0,7 µm *
- Vidljivo svjetlo, između 0,7 - 0,4 µm
- Ultraljubičasto, manje od 0,4 µm
* 1 µm = 1 mikrometar ili jedna milionita metra.
Wien zakon
Slika ispod prikazuje raspodjelu zračenja po valnoj duljini za različite temperature. Raspodjela je u skladu s Wien-ovim zakonom pomaka, prema kojem je valna duljina maksimalnog zračenja λ max obrnuto proporcionalna temperaturi T u kelvinima:
λ max T = 2.898. 10 -3 m⋅K
Slika 2. Grafikon zračenja kao funkcija valne duljine za crno tijelo. Izvor: Wikimedia Commons.
Sunce ima površinsku temperaturu od približno 5.700 K i zrači prvenstveno kraćim valnim duljinama, kao što smo vidjeli. Krivulja koja se najviše približava Sunčevoj krivulji je 5000 K, plave boje i, naravno, ima maksimum u rasponu vidljive svjetlosti. Ali također emitira dobar dio u infracrvenom i ultraljubičastom zračenju.
Primjene toplinskog zračenja
Solarna energija
Velika količina energije koju Sunce zrači može se pohraniti u uređaje koji se nazivaju sakupljači, da bi se kasnije transformirali i prikladno iskoristili kao električna energija.
Infracrvene kamere
Riječ je o kamerama koje, kao što im ime kaže, djeluju u infracrvenom području umjesto na vidljivom svjetlu, poput uobičajenih kamera. Oni koriste činjenicu da sva tijela emitiraju toplinsko zračenje u većoj ili manjoj mjeri ovisno o njihovoj temperaturi.
Slika 3. Slika psa snimljenog infracrvenom kamerom. Izvorno, lakša područja predstavljaju ona s najvišom temperaturom. Boje koje se dodaju tijekom obrade kako bi se olakšala interpretacija pokazuju različite temperature u životinjskom tijelu. Izvor: Wikimedia Commons.
Pyrometry
Ako su temperature vrlo visoke, njihovo mjerenje živinim termometrom nije najbolja opcija. Za to su poželjni pirometri, pomoću kojih se određuje temperatura nekog predmeta znajući njegovu emisivnost zahvaljujući emisiji elektromagnetskog signala.
Astronomija
Zvjezdana svjetlost se vrlo dobro modelira s aproksimacijom crnog tijela, kao i cijelim svemirom. I sa svoje strane, Wien-ov zakon se često koristi u astronomiji za određivanje temperature zvijezda, u skladu s valnom dužinom svjetlosti koju emitiraju.
Vojna industrija
Rakete su usmjerene na cilj pomoću infracrvenih signala kojima se želi detektirati najtoplija područja u zrakoplovima, kao što su motori, na primjer.
Reference
- Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Ed. McGraw Hill.
- Gómez, E. Provođenje, konvekcija i zračenje. Oporavilo od: eltamiz.com.
- González de Arrieta, I. Primjene toplinskog zračenja. Oporavak od: www.ehu.eus.
- NASA Zemaljski opservatorij. Klima i energetski proračun Zemlje. Oporavak od: earthobservatory.nasa.gov.
- Natahenao. Primjene topline. Oporavilo od: natahenao.wordpress.com.
- Serway, R. Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 1. 7. Ed. Cengage Learning.