- Lämpösäteilyominaisuudet
- Esimerkkejä lämpösäteilystä
- Lämpösäteily auringosta
- Wienin laki
- Lämpösäteilyn sovellukset
- Aurinkoenergia
- Infrapunakamerat
- Pyrometry
- Tähtitiede
- Sotilasala
- Viitteet
Lämpösäteily on välittämän energian rungon, jossa on sen lämpötilaa ja aallonpituudet infrapuna sähkömagneettisen spektrin. Kaikki kehot poikkeuksetta lähettävät infrapunasäteilyä, riippumatta siitä, kuinka alhainen niiden lämpötila on.
Tapahtuu, että kiihtyneessä liikkeessä sähköisesti varautuneet hiukkaset värähtelevät ja kineettisen energiansa ansiosta ne lähettävät jatkuvasti sähkömagneettisia aaltoja.
Kuva 1. Olemme hyvin perehtyneitä auringon, joka on itse asiassa tärkein lämpöenergian lähde, lähtevälle säteilylle. Lähde: Pxhere.
Ainoa tapa, jolla keho ei emittoi lämpöä, on sen hiukkasten olla täysin levossa. Tällä tavoin sen lämpötila olisi 0 Kelvinin asteikolla, mutta esineen lämpötilan alentaminen sellaiseen pisteeseen on jotain, mitä ei ole vielä saavutettu.
Lämpösäteilyominaisuudet
Merkittävä ominaisuus, joka erottaa tämän lämmönsiirtomekanismin muista, on se, että sen tuottamiseksi ei tarvita materiaalia. Esimerkiksi Auringon lähettämä energia kulkee 150 miljoonaa kilometriä avaruuden läpi ja saavuttaa jatkuvasti maapallon.
Kohteen säteilemän lämpöenergian määrän aikayksikköä varten on olemassa matemaattinen malli:
Tämä yhtälö tunnetaan Stefanin lakina ja seuraavat määrät ilmestyvät:
- Lämpöenergia aikayksikköä kohti P, joka tunnetaan nimellä teho ja jonka yksikkö kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä on wattia tai wattia (W).
- Lämpöä A emittoivan esineen pinta-ala neliömetrinä.
-Vakio, nimeltään Stefan - Boltzman-vakio, jota merkitään σ ja jonka arvo on 5,66963 x10 -8 W / m 2 K 4,
-The emissiivisyys (kutsutaan myös emittance) esineen e dimensioton määrä (ilman yksikköä), jonka arvo on välillä 0 ja 1. On liittyy materiaalin luonteeseen: esimerkiksi peili on alhainen emissiviteetti, kun taas hyvin tumma elin on korkea emissiivisyys.
-Ja lopuksi lämpötila T kelvininä.
Esimerkkejä lämpösäteilystä
Stefanin lain mukaan nopeus, jolla esine säteilee energiaa, on verrannollinen pinta-alaan, säteilykykyyn ja lämpötilan neljänteen voimaan.
Koska lämpöenergian päästöaste riippuu T: n neljännestä tehosta, on selvää, että pienillä lämpötilan muutoksilla on valtava vaikutus säteilyyn. Esimerkiksi, jos lämpötila kaksinkertaistuu, säteily kasvaa 16 kertaa.
Stefanin lain erityistapaus on täydellinen jäähdytin, täysin läpinäkymätön esine, jota kutsutaan mustana kappaleena ja jonka säteilyteho on täsmälleen 1. Tässä tapauksessa Stefanin laki näyttää tältä:
Sattuu niin, että Stefanin laki on matemaattinen malli, joka kuvaa karkeasti minkä tahansa kohteen lähettämää säteilyä, koska se pitää säteilyä vakiona. Emissiokyky riippuu itse asiassa säteilytyn aallonpituudesta, pinnan viimeistelystä ja muista tekijöistä.
Kun e: tä pidetään vakiona ja Stefanin lakia sovelletaan, kuten alussa on osoitettu, objektia kutsutaan harmaksi kappaleeksi.
Joidenkin harmaana kappaleena käsiteltyjen aineiden emissiivisyysarvot ovat:
- Kiillotettu alumiini 0,05
-Musta hiili 0,95
-Mitkä väri ihmisen iho on 0,97
-Puu 0,91
-Jää 0,92
-Vesi 0,91
-Kupperi välillä 0,015 - 0,025
-Teräs välillä 0,06 - 0,25
Lämpösäteily auringosta
Käytännöllinen esimerkki lämpöä säteilyä emittoivasta esineestä on aurinko. Arvioidaan, että joka toinen sekunti noin 1 370 J sähkömagneettisen säteilyn muodossa olevaa energiaa saavuttaa maapallon auringosta.
Tämä arvo tunnetaan aurinkovakiona ja jokaisella planeetalla on yksi, joka riippuu sen keskimääräisestä etäisyydestä auringosta.
Tämä säteily kulkee kohtisuoraan ilmakehän kerrosten jokaisen m 2: n läpi ja jakautuu eri aallonpituuksille.
Lähes kaikki se tulee näkyvän valon muodossa, mutta hyvä osa on infrapunasäteilyä, joka on juuri sitä, mitä me havaitsemme lämmönä, ja osa myös ultraviolettisäteinä. Se on suuri määrä energiaa, joka riittää vastaamaan planeetan tarpeita, jotta se voidaan vangita ja käyttää sitä oikein.
Aallonpituuden suhteen nämä ovat alueet, joilla maapallon päästävä auringonsäteily löytyy:
- Infrapuna, mitä havaitsemme kuumuudeksi: 100 - 0,7 μm *
- Näkyvä valo, välillä 0,7 - 0,4 μm
- ultravioletti, alle 0,4 μm
* 1 μm = 1 mikrometri tai miljoonaosa mittarista.
Wienin laki
Seuraava kuva osoittaa säteilyn jakautumisen aallonpituudella eri lämpötiloissa. Jakauma noudattaa Wienin siirtymälakia, jonka mukaan maksimisäteilyn λ max aallonpituus on käänteisesti verrannollinen lämpötilaan T kelvinissä:
λ max T = 2,898. 10 - 3 mK
Kuva 2. Säteilykuvio mustan ruumiin aallonpituuden funktiona. Lähde: Wikimedia Commons.
Auringon pintalämpötila on noin 5700 K ja se säteilee pääasiassa lyhyemmillä aallonpituuksilla, kuten olemme nähneet. Käyrä, joka parhaiten lähestyy auringon suuntaa, on 5000 K, sinisenä ja tietenkin on suurin näkyvän valon alueella. Mutta se emittoi myös hyvän osan infrapuna- ja ultraviolettivaloista.
Lämpösäteilyn sovellukset
Aurinkoenergia
Suuri määrä aurinkoa säteilee energiaa, joka voidaan varastoida keräimiin kutsuttuihin laitteisiin myöhemmin muuntaaksesi sitä ja käyttämään sitä kätevästi sähköenergiana.
Infrapunakamerat
Ne ovat kameroita, jotka, kuten nimensä osoittavat, toimivat infrapuna-alueella näkyvän valon sijasta, kuten tavalliset kamerat. He hyödyntävät sitä tosiasiaa, että kaikki kehot lähettävät lämpöä säteilyä enemmän tai vähemmän niiden lämpötilasta riippuen.
Kuva 3. Kuva koirasta, joka on vangittu infrapunakameralla. Alun perin vaaleammat alueet edustavat korkeinta lämpötilaa. Värit, jotka lisätään prosessoinnin aikana tulkinnan helpottamiseksi, osoittavat eläimen kehon eri lämpötilat. Lähde: Wikimedia Commons.
Pyrometry
Jos lämpötilat ovat erittäin korkeat, niiden mittaaminen elohopealämpömittarilla ei ole paras tapa. Tätä varten ovat edullisia pyrometrit, joiden avulla kohteen lämpötila johdetaan tietäen sen säteilykyky sähkömagneettisen signaalin säteilyn ansiosta.
Tähtitiede
Starlight on mallinnettu erittäin hyvin mustan kehon lähentämisellä, samoin kuin koko maailmankaikkeudessa. Ja puolestaan Wienin lakia käytetään tähtitieteessä usein tähtiä lämpötilan määrittämiseen niiden lähettämän valon aallonpituuden mukaan.
Sotilasala
Ohjukset on kohdistettu kohteeseen infrapunasignaaleilla, jotka pyrkivät havaitsemaan lentokoneiden kuumimmat alueet, kuten esimerkiksi moottorit.
Viitteet
- Giambattista, A. 2010. Fysiikka. 2nd. Toimittaja McGraw Hill.
- Gómez, E. Johtaminen, konvektio ja säteily. Palautettu osoitteesta: eltamiz.com.
- González de Arrieta, I. Lämpösäteilyn sovellukset. Palautettu osoitteesta www.ehu.eus.
- NASA Earth Observatory. Ilmasto ja maapallon energiabudjetti. Palautettu: earthobservatory.nasa.gov.
- Natahenao. Lämpösovellukset. Palautettu osoitteesta: natahenao.wordpress.com.
- Serway, R. Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Nide 1. 7.. Ed. Cengage Learning.