ŠILUMINĖ RADIACIJA: SAVYBĖS, PAVYZDŽIAI, PRITAIKYMAI - FIZINIS - 2025

Šiluminis spinduliavimas yra energijos perduodama kūno su savo temperatūros ir infraraudonųjų elektromagnetinio spektro bangos ilgio. Visi kūnai be išimties skleidžia infraraudonąją spinduliuotę, nesvarbu, kokia žema jų temperatūra.

Taip atsitinka, kad kai juda pagreitis, elektra įkrautos dalelės virpa ir dėl savo kinetinės energijos jos nuolat skleidžia elektromagnetines bangas.

1 pav. Mes esame gerai susipažinę su saulės spinduliuote, kuri iš tikrųjų yra pagrindinis šilumos energijos šaltinis. Šaltinis: Pxhere.

Vienintelis būdas, kuriuo kūnas neišskiria šiluminės spinduliuotės, yra tai, kad jo dalelės yra visiškai ramybėje. Tokiu būdu jo temperatūra būtų 0 pagal Kelvino skalę, tačiau objekto temperatūros sumažinimas iki tokio taško yra kažkas, ko dar nepavyko pasiekti.

Šiluminės spinduliuotės savybės

Puiki savybė, išskirianti šį šilumos perdavimo mechanizmą iš kitų, yra tai, kad jam gaminti nereikia materialios terpės. Pavyzdžiui, saulės skleidžiama energija per kosmosą nuvažiuoja 150 milijonų kilometrų ir nuolat pasiekia Žemę.

Yra matematinis modelis, skirtas žinoti, kiek objekto spinduliuoja šiluminės energijos per laiko vienetą:

Ši lygtis yra žinoma kaip Stefano dėsnis ir atsiranda šie dydžiai:

- Šiluminė energija per laiko vienetą P, vadinama galia ir kurios vienetas tarptautinėje vienetų sistemoje yra vatas arba vatas (W).

-The paviršiaus plotas objekto, kad skleidžiančio šilumą A, kvadratiniais metrų.

- konstanta, vadinama Stefano - Boltzmano konstanta , žymima σ ir kurios vertė yra 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

- Objekto spinduliuotė (dar vadinama spinduliuote) ir be matmens dydis (be vieneto), kurio vertė yra nuo 0 iki 1. Tai yra susijusi su medžiagos prigimtimi: toks veidrodis turi mažą skleidžiamą spinduliuotę, o labai tamsus kūnas turi aukštas spinduliavimas.

- Ir pagaliau temperatūra T kelvinuose.

Šiluminės spinduliuotės pavyzdžiai

Pagal Stefano dėsnį, objekto spinduliuojamos energijos greitis yra proporcingas plotui, skleidžiamajam laipsniui ir ketvirtai temperatūros galiai.

Kadangi šiluminės energijos išsiskyrimo greitis priklauso nuo ketvirtosios T galios, akivaizdu, kad maži temperatūros pokyčiai turės didžiulį poveikį skleidžiamai radiacijai. Pavyzdžiui, jei temperatūra padvigubėtų, radiacija padidėtų 16 kartų.

Ypatingas Stefano įstatymo atvejis yra puikus radiatorius, visiškai nepermatomas objektas, vadinamas juodu kūnu, kurio spinduliuotė yra lygiai 1. Šiuo atveju Stefano įstatymas atrodo taip:

Taip atsitinka, kad Stefano dėsnis yra matematinis modelis, apytiksliai apibūdinantis bet kurio objekto skleidžiamą spinduliuotę, nes jis spinduliavimą laiko konstanta. Spinduliuotė iš tikrųjų priklauso nuo skleidžiamos radiacijos bangos ilgio, paviršiaus apdailos ir kitų veiksnių.

Kai e laikoma pastovia ir taikoma Stefano dėsnis, kaip nurodyta pradžioje, tada objektas vadinamas pilku kūnu.

Kai kurių medžiagų, kurios traktuojamos kaip pilkasis kūnas, skleidžiamosios vertės yra:

-Poliruotas aliuminis 0,05

-Juodoji anglis 0,95

- Žmogaus bet kokios spalvos oda 0,97

-Mediena 0,91

-Ice 0,92

-Vanduo 0,91

- Varis tarp 0,015 ir 0,025

- Plienas nuo 0,06 iki 0,25

Šiluminė saulės spinduliuotė

Apčiuopiamas objektas, skleidžiantis šiluminę spinduliuotę, yra Saulė. Manoma, kad kas sekundę Žemė iš Saulės pasiekia maždaug 1 370 J energijos elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu.

Ši vertė yra žinoma kaip saulės konstanta ir kiekviena planeta turi vieną, kuri priklauso nuo vidutinio atstumo nuo Saulės.

Ši spinduliuotė statmenai praeina per kiekvieną atmosferos sluoksnių m ² ir pasiskirsto skirtingais bangų ilgiais.

Beveik visas jo spinduliavimas yra matomos šviesos pavidalu, tačiau nemažą dalį sudaro infraraudonieji spinduliai, būtent tai, ką mes suvokiame kaip šilumą, o kai kuriuos - taip pat ir kaip ultravioletinius spindulius. Tai yra didelis energijos kiekis, kurio pakanka patenkinti planetos poreikius, norint ją užfiksuoti ir tinkamai panaudoti.

Bangos ilgio atžvilgiu tai yra diapazonai, kuriuose randama Žemę pasiekianti saulės radiacija:

- Infraraudonųjų spindulių , ką mes suvokiame kaip šilumą: 100–0,7 μm *

- matoma šviesa nuo 0,7 iki 0,4 μm

- ultravioletinis , mažesnis kaip 0,4 μm

* 1 μm = 1 mikrometras arba viena milijono metro.

Wien įstatymas

Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodytas radiacijos pasiskirstymas per bangos ilgį įvairioms temperatūroms. Pasiskirstymas atitinka Wien poslinkio dėsnį, pagal kurį maksimalios radiacijos λ _max bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingas T temperatūrai kelvinuose:

λ _maks T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

2 paveikslas. Spinduliuotės kaip juodo kūno bangos ilgio grafikas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Saulės paviršiaus temperatūra yra maždaug 5700 K, o jos spinduliuotė yra trumpesnė, kaip mes matėme. Kreivė, labiausiai atitinkanti Saulės kreivę, yra 5000 K, mėlynos spalvos ir, be abejo, turi maksimalų matomos šviesos diapazoną. Bet jis taip pat skleidžia didelę dalį infraraudonųjų ir ultravioletinių spindulių.

Šiluminės spinduliuotės taikymai

Saulės energija

Didelis saulės spinduliuotės kiekis gali būti kaupiamas prietaisuose, vadinamuose kolektoriais, kad vėliau galėtų juos transformuoti ir patogiai naudoti kaip elektros energiją.

Infraraudonųjų spindulių kameros

Tai yra fotoaparatai, kurie, kaip rodo jų pavadinimas, veikia infraraudonųjų spindulių srityje, o ne matomoje šviesoje, kaip ir įprastos kameros. Jie naudojasi tuo, kad visi kūnai didesniu ar mažesniu mastu skleidžia šiluminę spinduliuotę, priklausomai nuo jų temperatūros.

3 pav. Šuns, užfiksuoto infraraudonųjų spindulių kamera, vaizdas. Iš pradžių šviesesni plotai žymi tas, kuriose yra aukščiausia temperatūra. Spalvos, kurios pridedamos perdirbimo metu, kad būtų lengviau interpretuoti, parodo skirtingą temperatūrą gyvūno kūne. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Pirometrija

Jei temperatūra yra labai aukšta, išmatuoti juos gyvsidabrio termometru nėra geriausias pasirinkimas. Tam pirmenybė teikiama pirometrais, per kuriuos nustatoma objekto temperatūra, žinant jo skleidžiamąjį spinduliavimą, nes skleidžiamas elektromagnetinis signalas.

Astronomija

„Starlight“ labai gerai modeliuojama atsižvelgiant į juodo kūno apytikslę reikšmę, kaip ir visą Visatą. Savo ruožtu, Wieno įstatymas dažnai naudojamas astronomijoje, siekiant nustatyti žvaigždžių temperatūrą pagal jų skleidžiamos šviesos bangos ilgį.

Karo pramonė

Raketos nukreiptos į taikinį, naudojant infraraudonųjų spindulių signalus, pavyzdžiui, variklius, kuriais siekiama aptikti karščiausias orlaivių vietas.

Nuorodos

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2-asis. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Laidumas, konvekcija ir radiacija. Atgauta iš: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Šiluminės spinduliuotės taikymai. Atkurta iš: www.ehu.eus.
4. NASA Žemės observatorija. Klimato ir Žemės energijos biudžetas. Atkurta iš: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Šilumos panaudojimas. Atkurta iš: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fizika mokslui ir inžinerijai. 1 tomas. 7-asis. Ed. Cengago mokymasis.