ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ: ВЛАСТИВОСТІ, ПРИКЛАДИ, ЗАСТОСУВАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Теплове випромінювання енергія передається тіла з його температурою і довжинами хвиль інфрачервоного електромагнітного спектра. Усі тіла без винятку випромінюють деяке інфрачервоне випромінювання, незалежно від того, наскільки низька їх температура.

Буває, що коли вони перебувають у прискореному русі, електрично заряджені частинки коливаються і завдяки своїй кінетичній енергії вони постійно випромінюють електромагнітні хвилі.

Малюнок 1. Ми дуже добре знайомі з тепловим випромінюванням, яке виходить від Сонця, яке насправді є основним джерелом теплової енергії. Джерело: Pxhere.

Єдиний спосіб, коли тіло не випромінює теплового випромінювання - це його частинки повністю в спокої. Таким чином, його температура становила б 0 за шкалою Кельвіна, але зниження температури об’єкта до такої точки є тим, чого ще не досягнуто.

Властивості теплового випромінювання

Чудова властивість, яка відрізняє цей механізм передачі тепла від інших, полягає в тому, що для його виробництва йому не потрібна матеріальна середовище. Таким чином, енергія, випромінювана Сонцем, наприклад, проїжджає 150 мільйонів кілометрів через космос і постійно досягає Землі.

Існує математична модель, щоб знати кількість теплової енергії за одиницю часу, яку випромінює об'єкт:

Це рівняння відоме як закон Стефана, і з'являються такі величини:

- теплова енергія в одиницю часу P, яка відома як потужність і одиницею якої в Міжнародній системі одиниць є ватт або ватт (Вт).

-Поверхня поверхні об'єкта, що випромінює тепло А, в квадратних метрах.

-Константа, що називається константою Стефана - Больцмана , позначається σ і значення якої 5,666963 x10 ^-8 Вт / м ² K ⁴ ,

-The випромінювальна (також званий випромінювальна) об'єкта і, безрозмірна величина (безрозмірний), значення якого між 0 і 1. Це пов'язано з характером матеріалу: таке дзеркало має низький коефіцієнт випромінювання, в той час як дуже темне тіло висока емісійність.

-І нарешті температура T в кельвіні.

Приклади теплового випромінювання

Відповідно до закону Стефана, швидкість, з якою об'єкт випромінює енергію, пропорційна площі, випромінюванню та четвертої потужності температури.

Оскільки швидкість викиду теплової енергії залежить від четвертої потужності Т, зрозуміло, що невеликі зміни температури матимуть величезний вплив на випромінювання. Наприклад, якщо температура подвоїться, радіація зросте в 16 разів.

Особливий випадок закону Стефана - ідеальний радіатор, абсолютно непрозорий об’єкт, який називається чорним тілом, випромінювання якого рівно 1. У цьому випадку закон Стефана виглядає так:

Буває, що закон Стефана - це математична модель, яка приблизно описує випромінювання, випромінюване будь-яким об'єктом, оскільки він розглядає випромінювання як постійну. Випромінювання фактично залежить від довжини хвилі випромінюваного випромінювання, обробки поверхні та інших факторів.

Якщо e вважається постійним і застосовується закон Стефана, як зазначено на початку, то об'єкт називається сірим тілом.

Значення випромінювання для деяких речовин, що розглядаються як сіре тіло, є:

-Полірований алюміній 0,05

-Відхід вуглецю 0,95

-Шкіра людини будь-якого кольору 0,97

-Від 0,91

-Морець 0,92

-Вода 0,91

-Копер між 0,015 і 0,025

-Розміщення між 0,06 та 0,25

Теплове випромінювання від Сонця

Відчутний приклад об'єкта, що випромінює теплове випромінювання, - це Сонце. За оцінками, щосекунди приблизно 1370 Дж енергії у вигляді електромагнітного випромінювання досягає Землі від Сонця.

Ця величина відома як сонячна константа, і кожна планета має її, яка залежить від її середньої відстані від Сонця.

Це випромінювання перпендикулярно проходить через кожен м ² шарів атмосфери і розподіляється по різній довжині хвилі.

Майже вся вона надходить у вигляді видимого світла, але хороша частина надходить як інфрачервоне випромінювання, саме це ми сприймаємо як тепло, а деякі також як ультрафіолетові промені. Це велика кількість енергії, достатня для задоволення потреб планети, щоб захопити її та правильно використовувати.

З точки зору довжини хвилі, це діапазони, в яких знаходиться сонячне випромінювання, яке досягає Землі:

- Інфрачервоне , що ми сприймаємо як тепло: 100 - 0,7 мкм *

- видиме світло , від 0,7 до 0,4 мкм

- Ультрафіолет , менше 0,4 мкм

* 1 мкм = 1 мікрометр або одна мільйонна частина метра.

Закон Віна

На зображенні нижче показано розподіл випромінювання по довжині хвилі для різних температур. Розподіл підкоряється закону переміщення Вена, згідно з яким довжина хвилі максимального випромінювання λ _max обернено пропорційна температурі T в кельвіні:

λ _max T = 2.898. 10 ⁻³ м⋅К

Малюнок 2. Графік випромінювання як функція довжини хвилі для чорного тіла. Джерело: Wikimedia Commons.

Сонце має поверхневу температуру приблизно 5700 K і випромінюється в основному на коротших довжинах хвиль, як ми бачили. Крива, яка найбільш наближається до Сонця, має 5000 К, синього кольору, і, звичайно, має максимум у діапазоні видимого світла. Але він також добре виділяє інфрачервону та ультрафіолетову.

Застосування теплового випромінювання

Сонячна енергія

Велика кількість енергії, яку випромінює Сонце, може зберігатися в пристроях, званих колекторами, щоб згодом її перетворити і зручно використовувати як електричну енергію.

Інфрачервоні камери

Це камери, які, як випливає з назви, працюють в інфрачервоній області замість видимого світла, як звичайні камери. Вони користуються тим, що всі тіла випромінюють теплову радіацію більшою чи меншою мірою залежно від їх температури.

Малюнок 3. Зображення собаки, зняте інфрачервоною камерою. Спочатку більш світлі ділянки представляють ті, що мають найвищу температуру. Кольори, які додаються під час обробки для полегшення тлумачення, показують різні температури в організмі тварини. Джерело: Wikimedia Commons.

Пірометрія

Якщо температура дуже висока, вимірювати їх ртутним термометром - не найкращий варіант. Для цього переважні пірометри, за допомогою яких виводиться температура об’єкта, знаючи його випромінювання, завдяки випромінюванню електромагнітного сигналу.

Астрономія

Зоряне світло дуже добре моделюється з наближенням чорного тіла, як і весь Всесвіт. Зі свого боку, закон Віна часто застосовується в астрономії для визначення температури зірок відповідно до довжини хвилі світла, яке вони випромінюють.

Військова промисловість

Ракети спрямовані на ціль, використовуючи інфрачервоні сигнали, які прагнуть виявити найгарячіші ділянки літальних апаратів, наприклад двигуни.

Список літератури

1. Giambattista, A. 2010. Фізика. 2-й. Ред. Макгров Хілл.
2. Гомес, Е. Проведення, конвекція та випромінювання. Відновлено з: eltamiz.com.
3. Гонсалес де Аррієта, І. Застосування теплового випромінювання. Відновлено з: www.ehu.eus.
4. Обсерваторія Землі НАСА. Клімат та енергетичний бюджет Землі. Відновлено з: earthobservatory.nasa.gov.
5. Натахенао. Теплові додатки. Відновлено з: natahenao.wordpress.com.
6. Сервей, Р. Фізика для науки та техніки. Том 1. 7-е. За ред.