ТОПЛИННО ИЗЛЪЧВАНЕ: СВОЙСТВА, ПРИМЕРИ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На топлинното излъчване е енергията, предадена от тяло с температура и от дължините на вълните на инфрачервени електромагнитния спектър. Всички тела без изключение излъчват някакво инфрачервено лъчение, независимо колко ниска е тяхната температура.

Случва се, че когато са в ускорено движение, електрически заредените частици осцилират и благодарение на кинетичната си енергия те непрекъснато излъчват електромагнитни вълни.

Фигура 1. Ние сме много запознати с топлинното излъчване, което идва от Слънцето, което всъщност е основният източник на топлинна енергия. Източник: Pxhere.

Единственият начин тялото да не излъчва топлинно излъчване е частиците му да са напълно в покой. По този начин температурата му би била 0 по скалата на Келвин, но намаляването на температурата на обект до такава точка е нещо, което все още не е постигнато.

Свойства на топлинно излъчване

Забележително свойство, което отличава този механизъм за пренос на топлина от другите, е, че не се нуждае от материална среда, за да го произведе. Така енергията, излъчвана от Слънцето, например, пътува 150 милиона километра в космоса и достига до Земята непрекъснато.

Има математически модел, за да се знае количеството топлинна енергия за единица време, което един обект излъчва:

Това уравнение е известно като закон на Стефан и се появяват следните количества:

- Топлинна енергия за единица време P, което е известно като мощност и чиято единица в Международната система от единици е вата или вата (W).

-В площ на обекта, който излъчва топлина А, в квадратни метри.

-Константа, наречена константа на Стефан - Болцман, обозначена с σ и чиято стойност е 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

-Излъчващата способност (наричана също излъчване) на обекта и безразмерно количество (без единица), чиято стойност е между 0 и 1. Това е свързано с естеството на материала: такова огледало има ниска излъчвателност, докато много тъмно тяло има висока емисия

-И накрая температурата Т в келвин.

Примери за топлинно излъчване

Според закона на Стефан скоростта, с която даден обект излъчва енергия, е пропорционална на площта, излъчвателната способност и четвъртата сила на температурата.

Тъй като скоростта на излъчване на топлинна енергия зависи от четвъртата мощност на Т, ясно е, че малките промени в температурата ще имат огромен ефект върху излъчваната радиация. Например, ако температурата се удвои, радиацията ще се увеличи 16 пъти.

Специален случай на закона на Стефан е перфектният радиатор, напълно непрозрачен обект, наречен черно тяло, чиято излъчваемост е точно 1. В този случай законът на Стефан изглежда така:

Случва се законът на Стефан да е математически модел, който грубо описва излъчването, излъчвано от всеки обект, тъй като той счита емисивността като постоянна. Емисионността всъщност зависи от дължината на вълната на излъчваното лъчение, повърхностното покритие и други фактори.

Когато e се счита за постоянен и се прилага законът на Стефан, както е посочено в началото, тогава обектът се нарича сиво тяло.

Стойностите на емисиите на някои вещества, третирани като сиво тяло, са:

-Полиран алуминий 0,05

-Възрастен въглерод 0,95

-Чувска кожа с всякакъв цвят 0,97

-Дърво 0,91

-След 0.92

-Вода 0,91

-Копър между 0,015 и 0,025

-Размер между 0,06 и 0,25

Топлинно излъчване от Слънцето

Осезаем пример за обект, който излъчва топлинно излъчване, е Слънцето. Смята се, че всяка секунда приблизително 1370 J енергия под формата на електромагнитно излъчване достига до Земята от Слънцето.

Тази стойност е известна като слънчевата константа и всяка планета има такава, която зависи от нейното средно разстояние от Слънцето.

Това лъчение перпендикулярно преминава през всеки m ² от атмосферните слоеве и се разпределя в различни дължини на вълната.

Почти всичко идва под формата на видима светлина, но добра част идва като инфрачервено лъчение, което е точно това, което ние възприемаме като топлина, а някои също и като ултравиолетови лъчи. Това е голямо количество енергия, достатъчно, за да отговори на нуждите на планетата, за да я улови и използва правилно.

По отношение на дължината на вълната това са диапазоните, в които се намира слънчевата радиация, която достига до Земята:

- Инфрачервено, което ние възприемаме като топлина: 100 - 0,7 µm *

- Видима светлина, между 0,7 - 0,4 µm

- Ултравиолетово, по-малко от 0,4 µm

* 1 μm = 1 микрометър или една милионна част от метър.

Закон на Виен

Изображението по-долу показва разпределението на радиацията по дължина на вълната за различни температури. Разпределението се подчинява на закона за изместване на Wien, според който дължината на вълната на максималното излъчване λ _max е обратно пропорционална на температурата T в келвин:

λ _max T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

Фигура 2. Графика на излъчване като функция на дължината на вълната за черно тяло. Източник: Wikimedia Commons.

Слънцето има повърхностна температура приблизително 5 700 К и излъчва главно при по-къси дължини на вълната, както видяхме. Кривата, която най-близо доближава тази на Слънцето, е тази от 5000 К, в синьо и разбира се има максимума в обхвата на видимата светлина. Но също така излъчва добра част в инфрачервения и ултравиолетовия.

Приложения на топлинно излъчване

Слънчева енергия

Голямото количество енергия, което излъчва Слънцето, може да се съхранява в устройства, наречени колектори, за да го преобразува по-късно и да го използва удобно като електрическа енергия.

Инфрачервени камери

Те са камери, които както подсказва името им, работят в инфрачервената област вместо на видима светлина, като обикновени камери. Те се възползват от факта, че всички тела излъчват топлинна радиация в по-голяма или по-малка степен в зависимост от тяхната температура.

Фигура 3. Изображение на куче, заснето от инфрачервена камера. Първоначално по-светлите зони представляват тези с най-висока температура. Цветовете, които се добавят по време на обработката, за да се улесни интерпретацията, показват различните температури в тялото на животното. Източник: Wikimedia Commons.

пирометър

Ако температурите са много високи, измерването им с живачен термометър не е най-добрият вариант. За това се предпочитат пирометри, чрез които се извежда температурата на даден обект, като се знае неговата излъчвателна способност, благодарение на излъчването на електромагнитен сигнал.

астрономия

Starlight е много добре моделиран с приближението на черното тяло, както и цялата вселена. А от своя страна законът на Виен често се използва в астрономията за определяне на температурата на звездите според дължината на вълната на излъчваната от тях светлина.

Военна индустрия

Ракетите са насочени към целта, използвайки инфрачервени сигнали, които се стремят да открият най-горещите зони в самолетите, като двигатели например.

Препратки

1. Giambattista, A. 2010. Физика. 2-ри. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Провеждане, конвекция и излъчване. Възстановено от: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Приложения на топлинно излъчване. Възстановено от: www.ehu.eus.
4. НАСА Земна обсерватория. Климат и енергиен бюджет на Земята. Възстановени от: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Приложения за топлина. Възстановени от: natahenao.wordpress.com.
6. Сервей, Р. Физика за наука и инженерство. Том 1. 7-ми. Ed. Cengage Learning.