TERMISK STRÅLING: EGENSKAPER, EKSEMPLER, ANVENDELSER - FYSISK - 2026

Den termiske strålingen er energien som overføres av et legeme med sin temperatur og av bølgelengdene til det infrarøde elektromagnetiske spekteret. Alle kropper avgir uten unntak infrarød stråling, uansett hvor lav temperatur de har.

Det hender at når de er i akselerert bevegelse, svinger elektrisk ladede partikler, og takket være deres kinetiske energi, sender de kontinuerlig ut elektromagnetiske bølger.

Figur 1. Vi er godt kjent med den termiske strålingen som kommer fra solen, som faktisk er den viktigste kilden til varmeenergi. Kilde: Pxhere.

Den eneste måten at et legeme ikke avgir termisk stråling er at partiklene er helt i ro. På denne måten vil temperaturen være 0 på Kelvin-skalaen, men å redusere temperaturen til en gjenstand til et slikt punkt er noe som ikke er oppnådd ennå.

Egenskaper for termisk stråling

En bemerkelsesverdig egenskap som skiller denne varmeoverføringsmekanismen fra andre, er at den ikke trenger et materiale for å produsere den. Dermed reiser energien som Solen slipper ut, for eksempel 150 millioner kilometer gjennom verdensrommet og når jorden kontinuerlig.

Det er en matematisk modell for å vite mengden termisk energi per tidsenhet som et objekt utstråler:

Denne ligningen er kjent som Stefanus lov, og følgende mengder vises:

- Termisk energi per tidsenhet P, som er kjent som strøm og hvis enhet i International System of Units er watt eller watt (W).

-Den flateareal av gjenstanden som avgir varme A i kvadratmeter.

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

-Den emissivitet (også kalt emittance) av objektet e, en dimensjonsløs størrelse (uten enheter) hvis verdi er mellom 0 og 1. Det er relatert til naturen av det materiale, for eksempel et speil har lav emissivitet, mens en meget mørk legeme har høy emissivitet.

-Og endelig temperaturen T i kelvin.

Eksempler på termisk stråling

I henhold til Stefanus lov er hastigheten som en gjenstand utstråler energi proporsjonal med området, emissiviteten og den fjerde kraften til temperaturen.

Siden utslippshastigheten for termisk energi avhenger av den fjerde kraften til T, er det tydelig at små temperaturendringer vil ha en enorm effekt på strålingen som sendes ut. For eksempel, hvis temperaturen dobles, vil strålingen øke 16 ganger.

Et spesielt tilfelle av Stefanus lov er den perfekte radiatoren, en helt ugjennomsiktig gjenstand kalt en svart kropp, hvis emissivitet er nøyaktig 1. I dette tilfellet ser Stefanus lov ut slik:

Det hender at Stefan's lov er en matematisk modell som grovt beskriver strålingen som sendes ut av enhver gjenstand, siden den anser emissivitet som en konstant. Emissivitet avhenger faktisk av bølgelengden til den utsendte strålingen, overflatebehandlingen og andre faktorer.

Når e blir betraktet som konstant og Stefanus lov blir anvendt som indikert i begynnelsen, kalles objektet et grått legeme.

Utslippsverdiene for noen stoffer behandlet som grå kropp er:

-Polert aluminium 0,05

-Svart karbon 0,95

-Mennesk hud i hvilken som helst farge 0,97

-Ved 0,91

-Is 0,92

-Vann 0,91

-Kobber mellom 0,015 og 0,025

-Steel mellom 0,06 og 0,25

Termisk stråling fra solen

Et håndgripelig eksempel på et objekt som avgir termisk stråling er Solen. Det anslås at hvert sekund når omtrent 1370 J energi i form av elektromagnetisk stråling Jorden fra Solen.

Denne verdien er kjent som solkonstanten, og hver planet har en, som avhenger av dens gjennomsnittlige avstand fra solen.

Denne strålingen passerer vinkelrett gjennom hver m ² av de atmosfæriske lagene og er fordelt i forskjellige bølgelengder.

Nesten alt det kommer i form av synlig lys, men en god del kommer som infrarød stråling, som er nettopp det vi oppfatter som varme, og noen også som ultrafiolette stråler. Det er en stor mengde energi nok til å dekke planetens behov for å fange opp og bruke den riktig.

Når det gjelder bølgelengde, er dette områdene som solstrålingen som når Jorden er funnet i:

- Infrarødt , det vi oppfatter som varme: 100 - 0,7 μm *

- Synlig lys , mellom 0,7 - 0,4 um

- Ultraviolett , mindre enn 0,4 um

* 1 um = 1 mikrometer eller en milliondels meter.

Wiens lov

Bildet under viser fordelingen av stråling over bølgelengde for forskjellige temperaturer. Distribusjonen adlyder Wiens forskyvningslov, hvorved bølgelengden til maksimal stråling λ _max er omvendt proporsjonal med temperaturen T i kelvin:

X _maks T = 2.898. 10 ⁻³ m⋅K

Figur 2. Graf over stråling som en funksjon av bølgelengde for en svart kropp. Kilde: Wikimedia Commons.

Sola har en overflatetemperatur på omtrent 5 700 K og stråler først og fremst med kortere bølgelengder, som vi har sett. Kurven som nærmest tilnærmer seg solen er den på 5000 K, i blått og har selvfølgelig det maksimale i området for synlig lys. Men det avgir også en god del i infrarød og ultrafiolett.

Bruksområder for termisk stråling

Solenergi

Den store mengden energi som solen utstråler, kan lagres i enheter som kalles samlere, for senere å transformere den og bruke den praktisk som elektrisk energi.

Infrarøde kameraer

De er kameraer som, som navnet antyder, opererer i det infrarøde området i stedet for i synlig lys, som vanlige kameraer. De drar fordel av det faktum at alle kropper avgir termisk stråling i større eller mindre grad avhengig av deres temperatur.

Figur 3. Bilde av en hund tatt av et infrarødt kamera. Opprinnelig representerer de lysere områdene de med høyeste temperatur. Fargene, som er lagt til under bearbeiding for å lette tolkning, viser de forskjellige temperaturene i dyrets kropp. Kilde: Wikimedia Commons.

Pyrometry

Hvis temperaturene er veldig høye, er det ikke det beste alternativet å måle dem med et kvikksølvtermometer. For dette er pyrometre foretrukket, gjennom hvilken temperaturen til en gjenstand trekkes ut ved å kjenne til dens emissivitet, takket være utslippet av et elektromagnetisk signal.

Astronomi

Starlight er veldig godt modellert med den svarte kropps tilnærmingen, så vel som hele universet. Og på sin side brukes Wiens lov ofte i astronomi for å bestemme temperaturen til stjerner, i henhold til bølgelengden til lyset de sender ut.

Militær industri

Missilene er rettet mot målet ved hjelp av infrarøde signaler som søker å oppdage de hotteste områdene i fly, som for eksempel motorer.

referanser

1. Giambattista, A. 2010. Fysikk. Andre. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Konduksjon, konveksjon og stråling. Gjenopprettet fra: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Bruksområder for termisk stråling. Gjenopprettet fra: www.ehu.eus.
4. NASA Earth Observatory. Klima og jordas energibudsjett. Gjenopprettet fra: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Varme applikasjoner. Gjenopprettet fra: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fysikk for vitenskap og teknikk. Volum 1. 7. Ed. Cengage Learning.