TOPLOTNO SEVANJE: LASTNOSTI, PRIMERI, APLIKACIJE - FIZIČNO - 2026

Toplotno sevanje je energija, ki jo organ s svojo temperaturo in jo valovnih dolžin infrardečega elektromagnetnega spektra prenašajo. Vsa telesa brez izjeme oddajajo nekaj infrardečega sevanja, ne glede na to, kako nizka je njihova temperatura.

Zgodi se, da v pospešenem gibanju električno nabiti delci nihajo in zahvaljujoč svoji kinetični energiji nenehno oddajajo elektromagnetne valove.

Slika 1. Zelo dobro poznamo toplotno sevanje, ki prihaja iz Sonca, ki je pravzaprav glavni vir toplotne energije. Vir: Pxhere.

Edini način, da telo ne oddaja toplotnega sevanja, je, da so njegovi delci popolnoma v mirovanju. Na ta način bi njegova temperatura znašala 0 na Kelvinovi lestvici, toda znižanje temperature predmeta na takšno točko je nekaj, kar še ni bilo doseženo.

Lastnosti toplotnega sevanja

Izjemna lastnost, ki razlikuje ta mehanizem prenosa toplote od drugih, je, da za njegovo izdelavo ne potrebuje materialnega medija. Tako energija, ki jo oddaja Sonce, na primer potuje 150 milijonov kilometrov skozi vesolje in neprekinjeno doseže Zemljo.

Obstaja matematični model, s katerim vemo, koliko toplotne energije na enoto časa seva predmet:

Ta enačba je znana kot Stefanov zakon in pojavijo se naslednje količine:

- toplotna energija na enoto časa P, ki je znana kot moč in katere enota v mednarodnem sistemu enot je vat ali vata (W).

-V površina objekta, ki oddaja toploto A, v kvadratnih metrih.

-Konstanta, imenovana Stefan - Boltzmanova konstanta , označena z σ in katere vrednost je 5,666963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-V emisivnost (imenovan tudi emitanca) predmeta E je dimenzijska veličina (brez enote), katere vrednost je med 0 in 1. Treba je povezana z naravo materiala: na primer ima zrcalo majhno oddajanje, pri čemer ima zelo temno telo visoka emisivnost.

-In končno temperatura T v kelvinu.

Primeri toplotnega sevanja

Po Stefanovem zakonu je hitrost, s katero predmet seva energijo, sorazmerna s površino, emisivnostjo in četrto močjo temperature.

Ker je hitrost oddajanja toplotne energije odvisna od četrte moči T, je jasno, da bodo majhne temperaturne spremembe močno vplivale na sevanje. Če se na primer temperatura podvoji, bi sevanje povečalo 16-krat.

Poseben primer Stefanovega zakona je popoln radiator, popolnoma neprozoren objekt, imenovan črno telo, katerega emisivnost je natanko 1. V tem primeru je Štefanov zakon videti tako:

Zgodi se, da je Stefanov zakon matematični model, ki v grobem opisuje sevanje, ki ga oddaja kateri koli predmet, saj šteje emisivnost kot konstanto. Emisivnost je dejansko odvisna od valovne dolžine oddajanega sevanja, površinske obdelave in drugih dejavnikov.

Če se šteje, da je e konstanta in se uporablja Stefanov zakon, kot je navedeno na začetku, se predmet imenuje sivo telo.

Vrednosti emisije nekaterih snovi, ki se obravnavajo kot sivo telo, so:

-Polirani aluminij 0,05

-Brez ogljika 0,95

-Človeška koža katere koli barve 0,97

-Dravo 0,91

-Ča 0,92

-Voda 0,91

-Zaboj med 0,015 in 0,025

-Očistite med 0,06 in 0,25

Toplotno sevanje iz Sonca

Oprijemljiv primer predmeta, ki oddaja toplotno sevanje, je Sonce. Ocenjuje se, da vsako sekundo približno od Zemlje do Sonca pride približno 1370 J energije v obliki elektromagnetnega sevanja.

Ta vrednost je znana kot sončna konstanta in vsak planet ima eno, kar je odvisno od njegove povprečne oddaljenosti od Sonca.

To sevanje pravokotno prehaja skozi vsak m ² atmosferske plasti in se porazdeli v različne valovne dolžine.

Skoraj vse pride v obliki vidne svetlobe, dobršen del pa pride kot infrardeče sevanje, prav to dojemamo kot toplota, nekatere pa tudi kot ultravijolične žarke. To je velika količina energije, da zadostimo potrebam planeta, da jo pravilno zajamemo in uporabimo.

Glede na valovno dolžino gre za območja, znotraj katerih najdemo sončno sevanje, ki doseže Zemljo:

- Infrardeči , kar dojemamo kot toplota: 100 - 0,7 μm *

- Vidna svetloba , med 0,7 - 0,4 µm

- ultravijolični , manjši od 0,4 µm

* 1 μm = 1 mikrometer ali ena milijonina metra.

Wien zakon

Spodnja slika prikazuje porazdelitev sevanja po valovni dolžini za različne temperature. Porazdelitev je skladna z Wienovim pomičnim zakonom, po katerem je valovna dolžina največjega sevanja λ _max obratno sorazmerna s temperaturo T v kelvinu:

λ _max T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

Slika 2. Graf sevanja kot funkcija valovne dolžine črnega telesa. Vir: Wikimedia Commons.

Sonce ima površinsko temperaturo približno 5700 K in seva predvsem pri krajših valovnih dolžinah, kot smo videli. Krivulja, ki se najbolj približa Sončevi, je 5000 K, modre barve in ima seveda največ v območju vidne svetlobe. Vendar pa dobro oddaja tudi infrardeče in ultravijolično.

Uporaba toplotnega sevanja

Sončna energija

Velika količina energije, ki jo sonce izžareva, se lahko shrani v napravah, ki jih imenujemo zbiralci, da jih kasneje preoblikujemo in uporabimo kot električno energijo.

Infrardeče kamere

Gre za kamere, ki, kot že ime pove, delujejo v infrardečem območju namesto v vidni svetlobi, kot običajne kamere. Izkoristijo dejstvo, da vsa telesa v večji ali manjši meri oddajajo toplotno sevanje, odvisno od njihove temperature.

Slika 3. Slika psa, ki jo ujame infrardeča kamera. Prvotno so lažja območja tista z najvišjo temperaturo. Barve, ki jih dodamo med obdelavo za lažjo interpretacijo, prikazujejo različne temperature v telesu živali. Vir: Wikimedia Commons.

Pirometrija

Če so temperature zelo visoke, merjenje z živosrebrnim termometrom ni najboljša možnost. Za to so prednostni pirometri, s pomočjo katerih se ugotovi temperatura predmeta zaradi njegove emisije, zahvaljujoč se oddajanju elektromagnetnega signala.

Astronomija

Zvezdna svetloba se zelo dobro modelira s približkom črnega telesa, kot tudi celotno vesolje. Wien zakon se v astronomiji pogosto uporablja za določanje temperature zvezd glede na valovno dolžino svetlobe, ki jo oddajajo.

Vojaška industrija

Rakete so usmerjene proti cilju z uporabo infrardečih signalov, ki poskušajo zaznati najbolj vroča območja v letalih, na primer motorje.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Provodljivost, konvekcija in sevanje. Pridobljeno: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Uporaba toplotnega sevanja. Pridobljeno: www.ehu.eus.
4. Nasin observatorij za Zemljo. Podnebje in energetski proračun Zemlje. Pridobljeno: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Uporaba toplote. Pridobljeno: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 1. 7. Ed Cengage Learning.