Radiație termala

În fizică , radiația termică este radiația electromagnetică emisă de la suprafața unui obiect care se datorează temperaturii obiectelor. Radiația infraroșie de la un radiator comun sau sobă electrică este un exemplu de radiație termică, la fel ca lumina emisă de un bec. Radiația termică este generată atunci când energia internă produsă de mișcarea particulelor încărcate în interiorul atomilor este transformată în radiație electromagnetică. Frecvența undei emise de o radiație termică este o distribuție probabilistică care depinde doar de temperatură, iar în cazul corpului negru este dată de Legea lui Planck pentru radiație . Legea lui Wien dă cea mai probabilă frecvență a radiației emise, iar legea lui Stefan-Boltzmann dă intensitatea căldurii .

Descriere

Proprietate

Există trei proprietăți principale care caracterizează radiația termică:

Radiația termică, chiar și la o singură temperatură, apare pe o gamă largă de frecvențe. Procentul fiecărei frecvențe este dat de legea lui Planck pentru radiații.
Frecvența (sau culoarea) mai mare a radiației emise crește odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, un corp metalic roșu radiază la frecvențe de undă egale cu partea inferioară a spectrului luminii vizibile; din acest motiv este reprezentat de creierul nostru ca roșu. Dacă ar fi încălzit în continuare, frecvența mai mare s-ar muta în centrul benzii vizibile, apărând alb. Acest lucru este explicat de legea lui Wien .
Cantitatea totală de radiații pentru fiecare frecvență crește foarte rapid odată cu creșterea temperaturii. Un obiect la temperatura unui cuptor de bucătărie radiază de 16 ori energia pe care ar emite-o la temperatura camerei pe unitate de suprafață; un obiect la temperatura filamentului incandescent din interiorul unui bec (adică bec), care este de aproximativ 3000 K, de 10 000 ori mai mare decât acesta. Matematic, puterea totală radiată crește direct proporțional cu puterea a patra a temperaturii absolute, conform legii Stefan-Boltzmann .

Schimb de energie

Radiația termică este un concept important în termodinamică , deoarece este parțial responsabilă pentru schimbul de căldură între obiecte, deoarece corpurile mai calde radiază mai mult decât cele mai reci. Alți factori sunt convecția și conductivitatea termică . Schimbul de energie se caracterizează prin următoarea ecuație:

\alpha +\rho +\tau =1

{\ displaystyle \ alpha + \ rho + \ tau = 1}

{\ displaystyle \ alpha + \ rho + \ tau = 1}

Aici, $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ reprezintă factorul de absorbție spectrală, $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ factorul de reflexie spectrală e $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ factorul de transmitere spectrală. Toate aceste elemente depind și de frecvență $\upsilon$ ${\ displaystyle \ upsilon}$ ${\ displaystyle \ upsilon}$ . Factorul de absorbție spectrală este egal cu emisivitatea $\varepsilon$ ${\ displaystyle \ varepsilon}$ ${\ displaystyle \ varepsilon}$ ; această relație este cunoscută sub numele de legea lui Kirchhoff pentru radiații termice . Un obiect se numește corp negru dacă, pentru toate frecvențele, se aplică următoarea formulă:

\alpha =\varepsilon =1

{\ displaystyle \ alpha = \ varepsilon = 1}

{\ displaystyle \ alpha = \ varepsilon = 1}

În practică, la temperatura camerei, obiectele pierd o cantitate considerabilă de energie din cauza radiației termice. Cu toate acestea, energia pierdută prin emisia de radiații infraroșii este recuperată prin absorbția căldurii din mediul înconjurător. De exemplu, un om, cu o suprafață de aproximativ 1 m ² , la o temperatură de 310 kelvin , emite continuu aproximativ 500 de wați . Cu toate acestea, dacă sunteți în interior, într-o cameră de 293K, vă întoarceți aproximativ 400 de wați de la pereți, tavan și împrejurimi, astfel încât pierderea netă este de numai 100 de wați. Hainele (care sunt în echilibru la o temperatură intermediară) reduc și mai mult această dispersie.

Dacă obiectele apar albe (reflectă toate culorile spectrului vizibil ), ele nu sunt neapărat la fel de reflectante (precum și non-emisive) în radiațiile infraroșii. De exemplu, multe radiatoare sunt vopsite în alb, deși se presupune că sunt radiatoare termice bune.

Ecuaţie

Radiația termică a unui corp negru pe unitate de suprafață , unitate de unghi solid și unitate de frecvență $\nu$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ este dat de

u(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}\cdot {\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{k_{B}T}}-1}}

{\ displaystyle u (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} \ cdot {\ frac {1} {e ^ {\ frac {h \ nu} {k_ {B} T}} - 1}}}

{\ displaystyle u (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} \ cdot {\ frac {1} {e ^ {\ frac {h \ nu} {k_ {B} T}} - 1}}}

Prin completarea ecuației de mai sus cu $\nu$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ obținem puterea de ieșire dată de legea Stefan-Boltzmann , ca:

P=\sigma \cdot A\cdot T^{4}

{\ displaystyle P = \ sigma \ cdot A \ cdot T ^ {4}}

{\ displaystyle P = \ sigma \ cdot A \ cdot T ^ {4}}

Din nou, lungimea de undă $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ , pentru care intensitatea emisiei este mai mare, este dată de legea din Viena pentru care:

\lambda _{max}={\frac {b}{T}}

{\ displaystyle \ lambda _ {max} = {\ frac {b} {T}}}

{\ displaystyle \ lambda _ {max} = {\ frac {b} {T}}}

Pentru suprafețele care nu sunt corpuri negre, trebuie luat în considerare factorul de corecție a emisivității $\varepsilon (\upsilon )$ ${\ displaystyle \ varepsilon (\ upsilon)}$ ${\ displaystyle \ varepsilon (\ upsilon)}$ . Acest factor trebuie înmulțit cu formula spectrului de radiații înainte de integrare. Ecuația rezultată pentru puterea de ieșire poate fi scrisă într-un mod care conține un factor de corecție dependent de temperatură, care este, de asemenea, numit adesea $\varepsilon$ ${\ displaystyle \ varepsilon}$ $\ varepsilon$ :

P=\varepsilon (T)\cdot \sigma \cdot A\cdot T^{4}

{\ displaystyle P = \ varepsilon (T) \ cdot \ sigma \ cdot A \ cdot T ^ {4}}

{\ displaystyle P = \ varepsilon (T) \ cdot \ sigma \ cdot A \ cdot T ^ {4}}

Constante

Definiții ale constantelor utilizate în ecuațiile de mai sus:

$h$ ${\ displaystyle h}$ $h$	Constanta lui Planck	6.626 0693 (11) × 10 ⁻³⁴ J s = 4.135 667 43 (35) × 10 ⁻¹⁵ eV s
$b$ ${\ displaystyle b}$ ${\ displaystyle b}$	Constanta din Viena	2.897 7685 (51) × 10 ⁻³ mK
$k_{B}$ ${\ displaystyle k_ {B}}$ $k_ {B}$	Constanta Boltzmann	1.380 6505 (24) × 10 ⁻²³ J K ⁻¹ = 8.617 343 (15) × 10 ⁻⁵ eV K ⁻¹
$\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$	Constanta Stefan-Boltzmann	5.670 400 (40) × 10 ⁻⁸ W m ⁻² K ⁻⁴
$c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$	Viteza luminii în vid	299 792 458 m s ⁻¹
$T.$ ${\ displaystyle T}$ $T.$	Temperatura	Temperatura medie a Pământului = 288 K
$LA$ ${\ displaystyle A}$ $LA$	Suprafaţă	Un _cuboid = 2 ab + 2 bc + 2 ac Un _cilindru = 2 π r ( h + r ) O _sferă = 4 π r ²

Bibliografie

(EN) Robert Byron, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , ediția a doua, New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , ediția a VI-a, Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .

linkuri externe

Calculator interactiv pentru radiații ale corpului negru - Include toate unitățile comune și descrierea detaliată a formulelor.
Radiații atmosferice , pe du.edu . Adus la 12 februarie 2007 (arhivat din original la 20 iunie 2006) .

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85059766 · GND (DE) 4188872-8 · NDL (EN, JA) 00.568.821

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

V · D · M Schimb de caldura
Mod	Conducție · Convecție · Radiații
Schimbătoare de căldură	Schimbător bloc · Tub schimbător și manta · schimbator înotătoare · Placa schimbator de caldura · Schimbător spirala · schimbator tub dublu · echipamente cu manta · suprafete imersate · Cuptor · Turn de răcire · Schimbător de flacara scufundată · schimbătoarelor Ljungström · regeneratoarele Cowper · panouri solare · marine Saline · Evaporator · Condensator · Aripioare vii · Regenerator Frankl
Criogenica	Azot lichid · Criochirurgie · Demagnetizare adiabatică · Azot lichid Economie · Diluare răcitor de lichid · balon vid
Variat	Aducție (fizic) · Coeficient de schimb termic · Conductivitate termică · difuzivitatea termică · ecuatie termica · termica Radiation · Rezistenta termica · TERMOTECNICA