TERMISK STRÅLING: EGENSKABER, EKSEMPLER, ANVENDELSER - FYSISK - 2025

Den termiske stråling er den energi, der transmitteres af et legeme med dens temperatur og af bølgelængderne i det infrarøde elektromagnetiske spektrum. Alle organer udsender uden undtagelse en vis infrarød stråling, uanset hvor lav deres temperatur.

Det sker, at når de er i accelereret bevægelse, svinger elektrisk ladede partikler, og takket være deres kinetiske energi udsender de kontinuerligt elektromagnetiske bølger.

Figur 1. Vi er meget bekendt med den termiske stråling, der kommer fra Solen, som faktisk er den vigtigste kilde til varmeenergi. Kilde: Pxhere.

Den eneste måde, hvorpå et legeme ikke udsender termisk stråling, er, at dets partikler er helt i hvile. På denne måde ville dens temperatur være 0 på Kelvin-skalaen, men at reducere temperaturen af ​​en genstand til et sådant punkt er noget, som endnu ikke er opnået.

Termiske strålingsegenskaber

En bemærkelsesværdig egenskab, der adskiller denne varmeoverførselsmekanisme fra andre, er, at den ikke har brug for et materiale til at fremstille den. Således rejser energien, der udsendes af solen, for eksempel 150 millioner kilometer gennem rummet og når jorden kontinuerligt.

Der er en matematisk model til at kende mængden af ​​termisk energi pr. Tidsenhed, som et objekt udstråler:

Denne ligning kaldes Stefan's lov, og følgende mængder vises:

- Termisk energi pr. Enhedstid P, der er kendt som strøm, og hvis enhed i det internationale system af enheder er watt eller watt (W).

-Den overfladeareal af det objekt, afgiver varme A, i kvadratmeter.

-En konstant, kaldet Stefan - Boltzman-konstant, betegnet med σ, og hvis værdi er 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

-Den emissivitet (også kaldet emittans) af genstanden og en dimensionsløs mængde (enhedsløse), hvis værdi er mellem 0 og 1. Det er relateret til beskaffenheden af materialet: sådan et spejl har lav emissivitet, mens en meget mørk legeme har høj emission.

Og endelig temperaturen T i kelvin.

Eksempler på termisk stråling

I henhold til Stefanus lov er den hastighed, hvormed en genstand udstråler energi, proportional med området, emissiviteten og den fjerde effekt af temperaturen.

Da hastigheden for emission af termisk energi afhænger af den fjerde effekt af T, er det tydeligt, at små ændringer i temperatur vil have en enorm effekt på den udsendte stråling. For eksempel, hvis temperaturen fordobles, vil strålingen stige 16 gange.

Et specielt tilfælde af Stefan's lov er den perfekte radiator, en helt uigennemsigtig genstand kaldet en sort krop, hvis emissivitet er nøjagtigt 1. I dette tilfælde ser Stefan's lov sådan ud:

Det sker, at Stefan's lov er en matematisk model, der groft beskriver den stråling, der udsendes af ethvert objekt, da den betragter emissivitet som en konstant. Emissivitet afhænger faktisk af bølgelængden af ​​den udsendte stråling, overfladebehandlingen og andre faktorer.

Når e betragtes som konstant, og Stefan's lov anvendes som angivet i begyndelsen, kaldes objektet et gråt legeme.

Emissivitetsværdierne for nogle stoffer, der behandles som grå krop, er:

-Poleret aluminium 0,05

-Svart kulstof 0,95

-Mennesk hud i enhver farve 0,97

-Ved 0,91

-Ice 0,92

-Vater 0,91

-Kobber mellem 0,015 og 0,025

-Steel mellem 0,06 og 0,25

Termisk stråling fra solen

Et håndgribeligt eksempel på et objekt, der udsender termisk stråling, er Solen. Det anslås, at hvert sekund når ca. 1.370 J energi i form af elektromagnetisk stråling Jorden fra Solen.

Denne værdi er kendt som solkonstanten, og hver planet har en, der afhænger af dens gennemsnitlige afstand fra solen.

Denne stråling passerer vinkelret gennem hver m ² af de atmosfæriske lag og er fordelt i forskellige bølgelængder.

Næsten det hele kommer i form af synligt lys, men en god del kommer som infrarød stråling, hvilket er netop det, vi opfatter som varme, og nogle også som ultraviolette stråler. Det er en stor mængde energi nok til at imødekomme planetens behov for at fange den og bruge den korrekt.

Med hensyn til bølgelængde er dette de områder, inden for hvilken solstrålingen, der når Jorden, findes:

- Infrarødt, hvad vi opfatter som varme: 100 - 0,7 μm *

- Synligt lys mellem 0,7 og 0,4 μm

- Ultraviolet, mindre end 0,4 μm

* 1 um = 1 mikrometer eller en milliondels meter.

Wiens lov

Billedet herunder viser fordelingen af ​​stråling over bølgelængden for forskellige temperaturer. Distributionen adlyder Wiens forskydningslov, hvorefter bølgelængden af ​​den maksimale stråling λ _max er omvendt proportional med temperaturen T i kelvin:

A _max T = 2.898. 10 ⁻³ m⋅K

Figur 2. Graf over stråling som en funktion af bølgelængden for en sort krop. Kilde: Wikimedia Commons.

Solen har en overfladetemperatur på cirka 5.700 K og stråler primært ved kortere bølgelængder, som vi har set. Den kurve, der nærmest tilnærmer sig Solens, er den på 5000 K, i blåt og har naturligvis det maksimale inden for synligt lys. Men det udsender også en god del i infrarød og ultraviolet.

Anvendelser af termisk stråling

Solenergi

Den store mængde energi, som solen udstråler, kan opbevares i enheder kaldet samlere for senere at transformere den og bruge den bekvemt som elektrisk energi.

Infrarøde kameraer

Det er kameraer, som deres navn antyder, fungerer i det infrarøde område i stedet for i synligt lys, som almindelige kameraer. De drager fordel af det faktum, at alle organer udsender termisk stråling i større eller mindre grad afhængig af deres temperatur.

Figur 3. Billede af en hund, der er fanget af et infrarødt kamera. Oprindeligt repræsenterer de lysere områder dem med den højeste temperatur. Farverne, der tilføjes under bearbejdningen for at lette fortolkningen, viser de forskellige temperaturer i dyrets krop. Kilde: Wikimedia Commons.

pyrometri

Hvis temperaturerne er meget høje, er det ikke den bedste løsning at måle dem med et kviksølvtermometer. Til dette foretrækkes pyrometre, gennem hvilke temperaturen af ​​et objekt fratrækkes ved at kende dets emission, takket være udsendelsen af ​​et elektromagnetisk signal.

Astronomi

Starlight er meget godt modelleret med den sorte krops tilnærmelse såvel som hele universet. Og på sin side bruges Wiens lov ofte i astronomi til at bestemme stjernernes temperatur i henhold til bølgelængden af ​​det lys, de udsender.

Militær industri

Missilerne er rettet mod målet ved hjælp af infrarøde signaler, der søger at opdage de hotteste områder i fly, som f.eks. Motorer.

Referencer

1. Giambattista, A. 2010. Fysik. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Ledning, konvektion og stråling. Gendannes fra: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Anvendelser af termisk stråling. Gendannes fra: www.ehu.eus.
4. NASA Earth Observatory. Klima og Jordens energibudget. Gendannes fra: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Varme applikationer. Gendannes fra: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fysik for videnskab og teknik. Bind 1. 7. Ed. Cengage Learning.