TERMISK STRÅLNING: EGENSKAPER, EXEMPEL, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den termiska strålningen är energin som överförs av en kropp med dess temperatur och av våglängderna för infrarött elektromagnetiskt spektrum. Alla kroppar utan undantag avger viss infraröd strålning, oavsett hur låg deras temperatur.

Det händer att när de är i accelererad rörelse, elektriskt laddade partiklar svänger och tack vare deras kinetiska energi avger de kontinuerligt elektromagnetiska vågor.

Bild 1. Vi är mycket bekanta med den termiska strålningen som kommer från solen, som i själva verket är den viktigaste källan till värmeenergi. Källa: Pxhere.

Det enda sättet att en kropp inte avger termisk strålning är att dess partiklar är helt i vila. På detta sätt skulle temperaturen vara 0 på Kelvin-skalan, men att minska temperaturen på ett objekt till en sådan punkt är något som ännu inte har uppnåtts.

Termiska strålningsegenskaper

En anmärkningsvärd egenskap som skiljer denna värmeöverföringsmekanism från andra är att den inte behöver ett material för att producera den. Således reser till exempel energin från solen 150 miljoner kilometer genom rymden och når jorden kontinuerligt.

Det finns en matematisk modell för att veta hur mycket värmeenergi per tidsenhet som ett objekt utstrålar:

Denna ekvation kallas Stefan's lag och följande mängder visas:

- Termisk energi per tidsenhet P, som kallas effekt och vars enhet i det internationella enhetssystemet är watt eller watt (W).

-Ytans ytarea som avger värme A, i kvadratmeter.

-A konstant, kallas Stefan - Boltzmans konstant , betecknas med σ och vars värde är 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-Den emissivitet (även kallad emittans) för objektet e, en dimensionslös storhet (utan enheter) vars värde är mellan 0 och 1. Det är relaterat till naturen hos materialet: till exempel en spegel har låg emissivitet, medan en mycket mörk kropp har hög emissivitet.

Och slutligen temperaturen T i kelvin.

Exempel på termisk strålning

Enligt Stefan's lag är den hastighet med vilken ett objekt strålar energi proportionell mot området, emissiviteten och temperaturen fjärde kraften.

Eftersom hastigheten för utsläpp av termisk energi beror på den fjärde kraften i T är det uppenbart att små temperaturförändringar kommer att ha en enorm effekt på den strålning som släpps ut. Om temperaturen till exempel fördubblas skulle strålningen öka 16 gånger.

Ett speciellt fall av Stefanas lag är den perfekta radiatorn, ett helt ogenomskinligt föremål som kallas en svart kropp, vars emissivitet är exakt 1. I detta fall ser Stefanas lag ut så här:

Det händer att Stefanas lag är en matematisk modell som grovt beskriver strålningen från något objekt, eftersom den betraktar emissivitet som en konstant. Emissivity beror faktiskt på våglängden för den utsända strålningen, ytfinishen och andra faktorer.

När e betraktas som konstant och Stefan's lag tillämpas som indikeras i början, kallas objektet en grå kropp.

Emissivitetsvärdena för vissa ämnen som behandlas som grå kropp är:

-Polerat aluminium 0,05

-Svart kol 0,95

-Human hud i valfri färg 0,97

-Ved 0,91

-Ice 0,92

-Vatten 0,91

-Koppar mellan 0,015 och 0,025

-Steel mellan 0,06 och 0,25

Termisk strålning från solen

Ett konkret exempel på ett objekt som avger termisk strålning är Solen. Det uppskattas att varje sekund, cirka 1370 J energi i form av elektromagnetisk strålning når jorden från solen.

Detta värde kallas solkonstanten och varje planet har en, som beror på dess genomsnittliga avstånd från solen.

Denna strålning passerar vinkelrätt genom varje m ² av de atmosfäriska skikten och är fördelad i olika våglängder.

Nästan allt kommer i form av synligt ljus, men en bra del kommer som infraröd strålning, vilket är precis vad vi uppfattar som värme, och vissa också som ultravioletta strålar. Det är en stor mängd energi som är tillräckligt för att tillgodose planetens behov för att fånga och använda den ordentligt.

När det gäller våglängd är dessa områden inom vilka solstrålningen som når jorden:

- Infrarött , vad vi uppfattar som värme: 100 - 0,7 μm *

- Synligt ljus , mellan 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolett , mindre än 0,4 μm

* 1 mikrometer = 1 mikrometer eller en miljondel meter.

Wiens lag

Bilden nedan visar strålningsfördelningen över våglängden för olika temperaturer. Distributionen följer Wiens förskjutningslag, enligt vilken våglängden för den maximala strålningen λ _max är omvänt proportionell mot temperaturen T i kelvin:

X _max T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Bild 2. Strålningsgraf som en funktion av våglängden för en svart kropp. Källa: Wikimedia Commons.

Solen har en yttemperatur på cirka 5 700 K och strålar främst med kortare våglängder, som vi har sett. Den kurva som närmast närmar sig solens är 5000 K, i blått och har naturligtvis det maximala inom området synligt ljus. Men det avger också en bra del i infraröd och ultraviolett.

Användning av termisk strålning

Solenergi

Den stora mängden energi som solen utstrålar kan lagras i enheter som kallas samlare för att senare transformera den och använda den bekvämt som elektrisk energi.

Infraröda kameror

Det är kameror som, som deras namn antyder, fungerar i det infraröda området i stället för i synligt ljus, som vanliga kameror. De drar nytta av det faktum att alla kroppar avger termisk strålning i mer eller mindre utsträckning beroende på deras temperatur.

Bild 3. Bild av en hund fångad av en infraröd kamera. Ursprungligen representerar de ljusare områdena de med högsta temperatur. Färgerna, som läggs till under bearbetning för att underlätta tolkning, visar de olika temperaturerna i djurets kropp. Källa: Wikimedia Commons.

pyrometri

Om temperaturen är mycket hög är det inte det bästa alternativet att mäta dem med en kvicksilvertermometer. För detta föredrages pyrometrar, genom vilka temperaturen hos ett objekt dras ut genom att känna till dess emissivitet, tack vare emissionen av en elektromagnetisk signal.

Astronomi

Starlight är mycket väl modellerad med den svarta kropps approximationen, liksom hela universum. Och för sin del används Wiens lag ofta i astronomi för att bestämma temperaturen på stjärnor, beroende på våglängden för ljuset de avger.

Militär industri

Missilerna riktas mot målet med hjälp av infraröda signaler som försöker upptäcka de hetaste områdena i flygplan, till exempel motorer.

referenser

1. Giambattista, A. 2010. Fysik. 2:a. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Ledning, konvektion och strålning. Återställd från: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Tillämpningar av termisk strålning. Återställs från: www.ehu.eus.
4. NASA Earth Observatory. Klimat och jordens energibudget. Återställd från: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Värmeapplikationer. Återställd från: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fysik för vetenskap och teknik. Volym 1. 7. Ed. Cengage Learning.