Iradiere

În termodinamică și electromagnetism , prin radiație se înțelege transferul de energie între două corpuri prin intermediul undelor electromagnetice . În cazul radiației cu energie termică , vorbim mai precis despre radiația termică . ^[1]

Originea fizică

Originea iradierii electromagnetice a corpurilor datorită efectului macroscopic al temperaturii trebuie căutată la nivel microscopic ca o consecință a mișcării roto-vibraționale moleculare și, prin urmare, a curenților electrici care variază în timp a elementelor care transportă sarcini electrice ( protoni și electroni ) în conformitate cu legile de bază ale electrodinamicii clasice sau cu ecuațiile lui Maxwell . Frecvența și intensitatea fotonilor emiși, adică a undei electromagnetice , crește odată cu creșterea temperaturii, ca o consecință a mișcării crescute a agitației moleculare sau a curenților electrici atomico-moleculari.

Radiație termala

Reprezentarea schimbului de căldură între două suprafețe prin radiație.

Dacă ne așezăm în fața unei surse termice de lumină, simțim senzația de căldură; această senzație se datorează pe de o parte convecției (deoarece căldura încălzește aerul înconjurător) și parțial radiațiilor.

Radiația este una dintre cele trei modalități prin care se propagă căldura . În special, spre deosebire de conducție și convecție , radiația nu necesită contact direct între schimbătoare și nu necesită un mediu de propagare. Deci, este un fenomen care afectează fiecare agregat material, indiferent dacă este solid , lichid sau gazos și are loc și în vid. Acest lucru este justificat de faptul că transferul de căldură prin radiație are loc sub formă de unde electromagnetice.

Există atât emisie, cât și absorbție a radiațiilor electromagnetice . Este un fenomen care apare la orice temperatură , dar numai la temperaturi destul de ridicate contribuția la schimbul de căldură prin radiație depășește contribuțiile prin conducție și convecție.

Cantitatea de căldură emisă de un corp prin radiație este de fapt proporțională cu $T^{4}$ ${\ displaystyle T ^ {4}}$ ${\ displaystyle T ^ {4}}$ , adică la a patra putere a temperaturii sale ^[2] : prin urmare, la temperaturi scăzute, radiația este responsabilă pentru o fracție neglijabilă a fluxului de căldură în ceea ce privește convecția și conducerea , dar pe măsură ce temperatura crește, importanța sa crește rapid până când devine arhitect principal al transmisiei căldurii pentru temperaturi medii-ridicate.

Fizic, iradierea constă în emisia de unde electromagnetice generate de atomi și molecule excitate prin agitație termică, care sunt dezactivate prin emiterea de fotoni cu o frecvență proporțională cu temperatura lor: de exemplu, corpurile la temperatura camerei emit în principal fotoni în domeniul infraroșu , ^[1] care din acest motiv se mai numesc și raze termice ; corpurile foarte reci radiază microunde (cele apropiate de zero absolut sunt unde radio simple), în timp ce corpurile foarte fierbinți emit lumină vizibilă, la început roșie (temperatura așa-numitei călduri roșii , aproximativ 700 ° C) apoi din ce în ce mai albă (temperatura de căldură albă , aproximativ 1200 ° C): pe măsură ce temperatura crește, frecvența luminii emise crește la alb-albastru, apoi trece la razele ultraviolete și la razele X în cazul plasmelor stelare la temperaturi de ordinul milioane de grade.

Căldura schimbată de radiații este transmisă în principal din corp la o temperatură mai mare la cea la o temperatură mai scăzută; în realitate, energia se propagă în ambele direcții, dar cu o intensitate mai mică de la rece la cald. De fapt, dacă un corp ar emana și nu ar absorbi niciodată energia electromagnetică, temperatura acestuia ar ajunge la zero absolut. Mai mult, un corp cu o temperatură egală cu zero absolut nu putea transmite căldura prin radiație. ^[1]

Emisia și absorbția depind de frecvența radiației, de natura corpului și de unele caracteristici ale suprafeței sale; un corp având o suprafață întunecată ^[3] este un bun absorbant și un bun emițător de căldură prin radiații.

Cantități asociate cu energia radiantă

Energia radiantă incidentă pe o suprafață este măsurată prin cantitatea cunoscută sub numele de iradiere; este împărțită în trei termeni: o parte este reflectată , o parte este absorbită și o a treia parte reușește în cele din urmă să treacă prin suprafață sau să fie transmisă . Din acest motiv, se stabilesc trei coeficienți:

Coeficient de reflecție sau reflectanță : $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ = energia reflectată / energia incidentă
Coeficient de absorbție sau absorbanță : $la$ ${\ displaystyle a}$ $la$ = energie absorbită / energie incidentă
Coeficient de transparență sau transmitanță : $t$ ${\ displaystyle t}$ $t$ = energia de ieșire / energia incidentă

Din cele spuse rezultă că suma coeficienților este egală cu unu, adică: $a+r+t=1$ ${\ displaystyle a + r + t = 1}$ ${\ displaystyle a + r + t = 1}$ (conservarea Energiei).

Din acest bilanț energetic putem stabili că pentru un corp negru coeficienții de reflexie și transparență sunt zero, r = t = 0 și deci a = 1. Pentru corpurile gri fiecare termen este între 0 și 1. Pentru corpurile opace t = 0 și, prin urmare, a + r = 1.

Pentru a analiza pe deplin o sursă de energie radiantă putem defini trei mărimi: prima care caracterizează radiația într-un mod global numit emisie globală , a doua care ia în considerare lungimea de undă $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ respectiva emisie monocromatică și a treia care descrie distribuția spațială a radiației numită emisie unghiulară spectrală .

$J={\frac {dP}{dS}}$ ${\ displaystyle J = {\ frac {dP} {dS}}}$ ${\ displaystyle J = {\ frac {dP} {dS}}}$ putere radiată pe unitate de suprafață
$\varepsilon ={\frac {dP}{dS}}{\frac {1}{d\lambda }}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {dP} {dS}} {\ frac {1} {d \ lambda}}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {dP} {dS}} {\ frac {1} {d \ lambda}}}$ având în vedere lungimea de undă
$j={\frac {dP}{dS}}{\frac {1}{d\lambda d\Omega }}$ ${\ displaystyle j = {\ frac {dP} {dS}} {\ frac {1} {d \ lambda d \ Omega}}}$ ${\ displaystyle j = {\ frac {dP} {dS}} {\ frac {1} {d \ lambda d \ Omega}}}$ având în vedere unghiul solid $\Omega$ ${\ displaystyle \ Omega}$ $\Omega$ care se formează între sursă și suprafața iradiată

Prin urmare, coeficienții definiți mai sus depind de temperatură $T.$ ${\ displaystyle T}$ $T.$ , din lungimea de undă și din unghiurile de incidență a radiației, în special coeficientul de absorbție spectral unghiular va fi exprimat printr-o relație de tip $a=f(T,\lambda ,\theta ,\varphi )$ ${\ displaystyle a = f (T, \ lambda, \ theta, \ varphi)}$ ${\ displaystyle a = f (T, \ lambda, \ theta, \ varphi)}$ , coeficientul de absorbție spectrală de la $a=f(T,\lambda )$ ${\ displaystyle a = f (T, \ lambda)}$ ${\ displaystyle a = f (T, \ lambda)}$ , coeficientul de absorbție din $a=f(T)$ ${\ displaystyle a = f (T)}$ ${\ displaystyle a = f (T)}$ .

Principiul Kirchhoff

După ce am stabilit că transmisia prin radiație este rezultatul unui echilibru între energia emisă și energia absorbită, putem afirma că raportul dintre emitența monocromatică și coeficientul de absorbție al aceluiași corp este independent de corpul însuși și este o funcție doar a lungimii de undă. și temperatura.:

$\varepsilon ={\frac {f(T,\lambda )}{a}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {f (T, \ lambda)} {a}}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {f (T, \ lambda)} {a}}}$

loc $a=1$ ${\ displaystyle a = 1}$ $a = 1$ pentru corpul negru se aplică următoarele:

$\varepsilon _{o}=f(T,\lambda )$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {o} = f (T, \ lambda)}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {o} = f (T, \ lambda)}$

Corp negru

Același subiect în detaliu: Corpul negru .

În general, corpul la o temperatură mai ridicată radiază mai multă energie către corp la o temperatură mai scăzută decât absoarbe, până când există o situație de echilibru, în care ajung la aceeași temperatură. În acest caz, energia radiată și absorbită compensează.

Un corp negru absoarbe toată radiația incidentă asupra corpului și, prin urmare, coeficientul său de absorbție este a = 1. Fiind un corp negru independent de lungimea radiației și de unghiul de incidență al energiei radiante, emisia sa monocromatică este stabilită de legea Planck :

\varepsilon _{0}(\lambda ,T)={\frac {C_{1}}{\lambda ^{5}[e^{\frac {C_{2}}{\lambda T}}-1]}}

{\ displaystyle \ varepsilon _ {0} (\ lambda, T) = {\ frac {C_ {1}} {\ lambda ^ {5} [e ^ {\ frac {C_ {2}} {\ lambda T}} -1]}}}

{\ displaystyle \ varepsilon _ {0} (\ lambda, T) = {\ frac {C_ {1}} {\ lambda ^ {5} [e ^ {\ frac {C_ {2}} {\ lambda T}} -1]}}}

unde C ₁ și C ₂ sunt două constante obținute experimental:

$C_{1}=3,7418\cdot \!10^{-16}\,\,W\!\cdot \!m^{2}$ ${\ displaystyle C_ {1} = 3.7418 \ cdot \! 10 ^ {- 16} \, \, W \! \ cdot \! m ^ {2}}$ ${\ displaystyle C_ {1} = 3.7418 \ cdot \! 10 ^ {- 16} \, \, W \! \ cdot \! m ^ {2}}$
$C_{2}=1,4388\!\cdot \!10^{-2}\,\,m\!\cdot \!K$ ${\ displaystyle C_ {2} = 1,4388 \! \ cdot \! 10 ^ {- 2} \, \, m \! \ cdot \! K}$ ${\ displaystyle C_ {2} = 1,4388 \! \ cdot \! 10 ^ {- 2} \, \, m \! \ cdot \! K}$

Legea Stefan-Boltzmann

Același subiect în detaliu: legea Stefan-Boltzmann .

Din proprietățile corpurilor negre descrise mai sus putem defini emisia globală a unui corp negru ca: ^[1]

J_{0}=\sigma T^{4}

{\ displaystyle J_ {0} = \ sigma T ^ {4}}

{\ displaystyle J_ {0} = \ sigma T ^ {4}}

,

unde σ este constanta Stefan-Boltzmann .

După ce am stabilit cantitățile fundamentale ale unui corp negru, putem descrie comportamentul corpurilor non-negre din emisivitatea globală, adică raportul dintre emisia corpului și cea a corpului negru și din emisivitatea spectrală ca raport între emisia monocromatică a corpului și cea a corpului negru.

Emisivitate globală: $\eta ={\frac {J}{J_{o}}}$ ${\ displaystyle \ eta = {\ frac {J} {J_ {o}}}}$ ${\ displaystyle \ eta = {\ frac {J} {J_ {o}}}}$
Emisivitate spectrală: $\eta \lambda ={\frac {\varepsilon }{\varepsilon _{o}}}$ ${\ displaystyle \ eta \ lambda = {\ frac {\ varepsilon} {\ varepsilon _ {o}}}}$ ${\ displaystyle \ eta \ lambda = {\ frac {\ varepsilon} {\ varepsilon _ {o}}}}$

Referințe practice

Temperatura de culoare indicată în setările monitoarelor , ecranelor de televiziune, în profilurile de culoare ale dispozitivelor grafice și, de asemenea, în dispozitivele de iluminat (neon, LED etc.) se referă tocmai la spectrul de radiații emise de radiațiile unui corp negru la nivelul specificat temperatura.
Un exemplu foarte important în care are loc fenomenul de iradiere este transferul de energie între Soare și Pământ .

Notă

^ ^A ^b ^c ^d(RO) DOE Fundamentals Handbook - "Termodinamică, transfer de căldură și flux de fluid" (Volumul 2 din 3), p. 26. Arhivat la 15 august 2016 la Internet Archive .
^ Legea care leagă cantitatea de căldură emisă de un corp de temperatură este legea Stefan-Boltzmann .
^ conceptul de corp negru nu trebuie confundat cu un corp cu o suprafață întunecată.

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 , ed. A VI-a, Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .
( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , ediția a 6-a, Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 406-430, ISBN 0-07-060082-1 .
I. Barducci Masson, Transmisia căldurii , Milano, 1999.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lemă « iradiere »

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[DOE26-1] A ^b ^c ^d(RO) DOE Fundamentals Handbook - "Termodinamică, transfer de căldură și flux de fluid" (Volumul 2 din 3), p. 26. Arhivat la 15 august 2016 la Internet Archive .

[2] Legea care leagă cantitatea de căldură emisă de un corp de temperatură este legea Stefan-Boltzmann .

[3] tul de corp negru nu trebuie confundat cu un corp cu o suprafață întunecată.

[1]

[2]

[3]

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