ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ: СВОЙСТВА, ПРИМЕРЫ, ПРИМЕНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Тепловое излучение энергия передается тела с его температурой и длинами волн инфракрасного электромагнитного спектра. Все тела без исключения излучают инфракрасное излучение, независимо от того, насколько низка их температура.

Бывает, что, когда они находятся в ускоренном движении, электрически заряженные частицы колеблются и благодаря своей кинетической энергии непрерывно излучают электромагнитные волны.

Рис. 1. Мы хорошо знакомы с тепловым излучением, исходящим от Солнца, которое на самом деле является основным источником тепловой энергии. Источник: Pxhere.

Единственный способ, которым тело не испускает теплового излучения, - это полное покой его частиц. Таким образом, его температура будет равна 0 по шкале Кельвина, но снижение температуры объекта до такой точки еще не достигнуто.

Свойства теплового излучения

Замечательное свойство, которое отличает этот механизм теплопередачи от других, заключается в том, что для его создания не требуется материальная среда. Таким образом, энергия, излучаемая Солнцем, например, проходит 150 миллионов километров в космосе и непрерывно достигает Земли.

Существует математическая модель, чтобы узнать количество тепловой энергии, которую излучает объект в единицу времени:

Это уравнение известно как закон Стефана, и появляются следующие величины:

- Тепловая энергия в единицу времени P, известная как мощность, единицей измерения которой в Международной системе единиц является ватт или ватт (Вт).

- Площадь поверхности объекта, излучающего тепло A, в квадратных метрах.

-Постоянная, называемая константой Стефана-Больцмана , обозначается σ и имеет значение 5,66963 x10 ^-8 Вт / м ² · K ⁴ ,

-Излучательная способность (также называемая излучательной способностью ) объекта e, безразмерная величина (без единиц измерения), значение которой находится между 0 и 1. Это связано с природой материала: например, зеркало имеет низкий коэффициент излучения, а очень темное тело имеет высокая излучательная способность.

-И, наконец, температура T в кельвинах.

Примеры теплового излучения

Согласно закону Стефана, скорость, с которой объект излучает энергию, пропорциональна площади, излучательной способности и четвертой степени температуры.

Поскольку скорость излучения тепловой энергии зависит от четвертой степени Т, ясно, что небольшие изменения температуры будут иметь огромное влияние на испускаемое излучение. Например, если температура увеличится вдвое, излучение увеличится в 16 раз.

Частным случаем закона Стефана является идеальный излучатель, полностью непрозрачный объект, называемый черным телом, с излучательной способностью ровно 1. В этом случае закон Стефана выглядит так:

Бывает, что закон Стефана представляет собой математическую модель, которая примерно описывает излучение, испускаемое любым объектом, поскольку считает коэффициент излучения постоянной. Коэффициент излучения фактически зависит от длины волны излучаемого излучения, качества поверхности и других факторов.

Если e считается постоянным и применяется закон Стефана, как указано в начале, то объект называется серым телом.

Значения коэффициента излучения для некоторых веществ, относящихся к серому телу, следующие:

-Полированный алюминий 0,05

-Черный карбон 0,95

-Человеческая кожа любого цвета 0.97

-Дерево 0,91

-Лед 0,92

-Вода 0,91

-Медь от 0,015 до 0,025

-Сталь от 0,06 до 0,25

Тепловое излучение Солнца

Наглядным примером объекта, излучающего тепловое излучение, является Солнце. По оценкам, каждую секунду примерно 1370 Дж энергии в форме электромагнитного излучения достигает Земли от Солнца.

Это значение известно как солнечная постоянная, и у каждой планеты есть одна, которая зависит от ее среднего расстояния от Солнца.

Это излучение перпендикулярно проходит через каждый м ² атмосферных слоев и распространяется на разных длинах волн.

Почти все они поступают в виде видимого света, но большая часть приходит в виде инфракрасного излучения, которое мы воспринимаем как тепло, а некоторые также как ультрафиолетовые лучи. Это большое количество энергии, достаточное для удовлетворения потребностей планеты, чтобы улавливать и использовать ее должным образом.

С точки зрения длины волны, это диапазоны, в которых находится солнечное излучение, достигающее Земли:

- Инфракрасное , то, что мы воспринимаем как тепло: 100 - 0,7 мкм *

- Видимый свет от 0,7 до 0,4 мкм

- Ультрафиолет , менее 0,4 мкм

* 1 мкм = 1 микрометр или одна миллионная метра.

Закон Вина

На изображении ниже показано распределение излучения по длине волны для различных температур. Распределение подчиняется закону смещения Вина, согласно которому длина волны максимального излучения λ _max обратно пропорциональна температуре T в кельвинах:

λ _макс Т = 2,898. 10 ⁻³ м⋅К

Рис. 2. График излучения в зависимости от длины волны для черного тела. Источник: Wikimedia Commons.

Как мы видели, Солнце имеет температуру поверхности около 5700 К и излучает в основном более короткие волны. Кривая, которая наиболее близко соответствует кривой Солнца, - это кривая 5000 К, синяя и, конечно, имеет максимум в диапазоне видимого света. Но он также излучает значительную часть инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Применение теплового излучения

Солнечная энергия

Большое количество энергии, излучаемой Солнцем, может храниться в устройствах, называемых коллекторами, чтобы впоследствии преобразовать ее и использовать в качестве электрической энергии.

Инфракрасные камеры

Это камеры, которые, как следует из названия, работают в инфракрасной области, а не в видимом свете, как обычные камеры. Они используют тот факт, что все тела испускают тепловое излучение в большей или меньшей степени в зависимости от их температуры.

Рисунок 3. Изображение собаки, снятое инфракрасной камерой. Первоначально более светлые области представляют собой участки с самой высокой температурой. Цвета, которые добавляются во время обработки для облегчения интерпретации, показывают разные температуры в теле животного. Источник: Wikimedia Commons.

Пирометрия

Если температура очень высокая, измерять ее ртутным термометром - не лучший вариант. Для этого предпочтительны пирометры, с помощью которых определяется температура объекта, зная его излучательную способность, благодаря излучению электромагнитного сигнала.

астрономия

Звездный свет очень хорошо моделируется с помощью приближения черного тела, как и вся Вселенная. Со своей стороны, закон Вина часто используется в астрономии для определения температуры звезд в соответствии с длиной волны излучаемого ими света.

Военная промышленность

Ракеты нацелены на цель с помощью инфракрасных сигналов, которые стремятся обнаружить самые горячие участки самолета, такие как, например, двигатели.

Ссылки

1. Джамбаттиста, А. 2010. Физика. Второй. Эд. Макгроу Хилл.
2. Гомес, Э. Проводимость, конвекция и излучение. Получено с: eltamiz.com.
3. Гонсалес де Арриета, И. Применение теплового излучения. Получено с: www.ehu.eus.
4. Земная обсерватория НАСА. Климат и энергетический бюджет Земли. Получено с: earthobservatory.nasa.gov.
5. Натахенао. Тепловые аппликации. Получено с: natahenao.wordpress.com.
6. Сервей, Р. Физика для науки и техники. Том 1. 7-е. Под ред. Cengage Learning.