HŐ SUGÁRZÁS: TULAJDONSÁGOK, PÉLDÁK, ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

A termikus sugárzás az energia, amelyet egy test továbbít a hőmérsékletével és az infravörös elektromágneses spektrum hullámhosszaival. Minden test kivétel nélkül infravörös sugárzást bocsát ki, függetlenül attól, hogy mekkora a hőmérséklete.

Előfordul, hogy gyorsított mozgásban az elektromosan töltött részecskék oszcillálnak, és kinetikus energiájuknak köszönhetően folyamatosan elektromágneses hullámokat bocsátanak ki.

1. ábra. Nagyon ismerjük a Nap sugárzását, amely valójában a fő hőenergia-forrás. Forrás: Pxhere.

Az egyetlen módja annak, hogy a test nem bocsát ki termikus sugárzást, az, hogy részecskéi teljesen nyugalomban vannak. Ilyen módon a hőmérséklete Kelvin-skálán 0-ra esne, de egy tárgy hőmérsékletének egy ilyen pontra csökkentése még nem valósult meg.

Hősugárzási tulajdonságok

Figyelemre méltó tulajdonság, amely megkülönbözteti ezt a hőátadási mechanizmust a többitől, az, hogy az előállításához nincs szüksége anyagi közegre. Így például a Nap által kibocsátott energia 150 millió kilométerre halad az űrben, és folyamatosan eléri a Földet.

Van egy matematikai modell, amellyel megtudhatjuk, hogy egy objektum mennyire sugároz hőenergiát az időegység alatt:

Ez az egyenlet Stefan törvényének neve, és a következő mennyiségek jelennek meg:

- P egységnyi hőenergia, amelyet energiának nevezünk, és amelynek egysége a Nemzetközi Egységrendszerben a watt vagy watt (W).

-A tárgy hőtermelő területe, négyzetméterben.

- Stefan- nak nevezett állandó - Boltzman-állandó, σ-val jelölve, amelynek értéke 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

- Az e objektum emisszióképessége (más néven emisszió), dimenzió nélküli mennyiség (egységek nélkül), amelynek értéke 0 és 1 között van. Az anyag jellegéhez kapcsolódik: például a tükör kis emisszióképességgel rendelkezik, míg egy nagyon sötét test magas emisszióképesség.

- És végül a T hőmérséklet kelvinben.

Példák a hő sugárzásra

Stefan törvénye szerint az objektum energia-sugárzási sebessége arányos a területtel, a kibocsátással és a hőmérséklet negyedik teljesítményével.

Mivel a hőenergia kibocsátási sebessége a T negyedik teljesítményétől függ, egyértelmű, hogy a kis hőmérséklet-változások hatalmas hatással lesznek a kibocsátott sugárzásra. Például, ha a hőmérséklet megduplázódik, a sugárzás 16-szor növekszik.

Stefan törvényének különleges esete a tökéletes hűtő, egy fekete testnek nevezett, teljesen átlátszatlan tárgy, amelynek emisszióképessége pontosan 1. Ebben az esetben Stefan törvénye így néz ki:

Előfordul, hogy Stefan-törvény egy matematikai modell, amely durván leírja az objektumok által kibocsátott sugárzást, mivel az emisszióképességet állandónak tekinti. A sugárzásképesség valójában a kibocsátott sugárzás hullámhosszától, a felület kikészítésétől és más tényezőktől függ.

Ha e értéket állandónak tekintjük és Stefan törvényét az elején feltüntetett módon alkalmazzuk, akkor az objektumot szürke testnek nevezzük.

A szürke testként kezelt egyes anyagok kibocsátási értékei:

- Polírozott alumínium 0,05

- Fekete szén 0,95

- Bármely színű emberi bőr 0,97

-Fa 0.91

-Ice 0,92

-Víz 0,91

-Réz 0,015 és 0,025 között

- Acél 0,06 és 0,25 között

A Nap termikus sugárzása

A termikus sugárzást kibocsátó objektum kézzelfogható példája a Nap. Becslések szerint minden másodpercenként körülbelül 1 370 J elektromágneses sugárzás formájában érkező energia érkezik a Földre a Napból.

Ezt az értéket napenergia állandónak nevezik, és minden bolygón van egy, amely a Naptól való átlagos távolságától függ.

Ez a sugárzás merőlegesen halad át a légköri rétegek minden m ² -én, és különböző hullámhosszon oszlik meg.

Szinte mindegyik látható fény formájában jön létre, de jó része az infravörös sugárzás, amelyet pontosan pontosan mi érzékelünk hőnek, és részben ultraibolya sugaraknak is. Nagy mennyiségű energia elegendő ahhoz, hogy kielégítse a bolygó igényeit, hogy azt megfelelően felfoghassuk és felhasználhassuk.

A hullámhossz szempontjából ezek azok a tartományok, amelyek között a Földet eljutó napsugárzás megtalálható:

- Infravörös, amit hőnek érzékelünk: 100 - 0,7 μm *

- Látható fény 0,7 - 0,4 μm között

- ultraibolya, kevesebb, mint 0,4 μm

* 1 μm = 1 mikrométer, vagy a mérő egymilliomodik része.

Wien törvénye

Az alábbi kép a sugárzás eloszlását mutatja hullámhosszonként különböző hőmérsékleteken. Az eloszlás betartja Wien elmozdulási törvényét, amely szerint a λ _max maximális sugárzás hullámhossza fordítottan arányos a kelvin T hőmérsékletével:

λ _max T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

2. ábra: A sugárzás grafikonja a fekete test hullámhosszának függvényében. Forrás: Wikimedia Commons.

A Nap felszíni hőmérséklete körülbelül 5700 K, és elsősorban rövidebb hullámhosszon sugárzik, mint láttuk. A legjobban hozzávetőlegesen a Nap görbéje 5000 K, kék színű, és természetesen a látható fény tartományában van. De jó része az infravörös és az ultraibolya sugárzásnak is.

A hő sugárzás alkalmazásai

Napenergia

A Nap által sugárzott nagy mennyiségű energiát kollektoroknak nevezett eszközökben tárolhatjuk, hogy később átalakítsuk és kényelmesebben felhasználhassuk villamos energiaként.

Infravörös kamerák

Olyan kamerák, amelyek - amint a neve is sugallja - az infravörös régióban működnek, nem a látható fényben, mint például a közönséges kamerák. Kihasználják azt a tényt, hogy minden test hőmérséklettől függően nagyobb vagy kisebb mértékben bocsát ki hőszigetelést.

3. ábra: Az infravörös kamerával rögzített kutya képe. Eredetileg a világosabb területeket a legmagasabb hőmérsékletű területek képviselik. A feldolgozás során az értelmezés megkönnyítése érdekében hozzáadott színek megmutatják az állat testének különböző hőmérsékleteit. Forrás: Wikimedia Commons.

pirometriával

Nagyon magas hőmérsékletek esetén a higany-hőmérővel történő mérés nem a legjobb megoldás. Ehhez a pirométereket részesítik előnyben, amelyeken keresztül egy tárgy hőmérséklete az elektromágneses jel sugárzásának köszönhetően annak emisszióképességének alapján kiszámítható.

Csillagászat

A Starlight nagyon jól modellezve van a fekete test közelítésével, valamint az egész univerzummal. És a maga részéről Wien törvényét gyakran használják a csillagászatban a csillagok hőmérsékletének meghatározására, az általuk kibocsátott fény hullámhossza szerint.

Katonai ipar

A rakéták infravörös jelek felhasználásával célozzák meg a célpontot, amelyek például a motorok, például a repülőgépek legmelegebb területeit érzékelik.

Irodalom

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vezetés, konvekció és sugárzás. Helyreállítva: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. A hő sugárzás alkalmazásai. Helyreállítva: www.ehu.eus.
4. NASA Föld Megfigyelőközpont. Az éghajlat és a Föld energiaköltsége. Helyreállítva: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Hő alkalmazások. Helyreállítva: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fizika a tudomány és a technika számára. 1. kötet. Ed. Cengage Learning.