קרינה תרמית: תכונות, דוגמאות, יישומים - גוּפָנִי - 2025

קרינה תרמית היא אנרגיה המועברת על ידי גוף עם הטמפרטורה שלו ועל ידי אורכי גל בספקטרום האלקטרומגנטי אינפרא אדום. כל הגופים ללא יוצא מן הכלל פולטים קרינה אינפרא אדום, לא משנה כמה הטמפרטורה שלהם נמוכה.

זה קורה שכאשר הם בתנועה מואצת, חלקיקים טעונים חשמליים מתנדנדים ובזכות האנרגיה הקינטית שלהם הם פולטים ברציפות גלים אלקטרומגנטיים.

איור 1. אנו מכירים היטב את הקרינה התרמית המגיעה מהשמש שהיא למעשה המקור העיקרי לאנרגיית החום. מקור: Pxhere.

הדרך היחידה שגוף אינו פולט קרינה תרמית היא שחלקיקיו יהיו במנוחה לחלוטין. באופן זה הטמפרטורה שלו תהיה 0 בסולם קלווין, אך הפחתת הטמפרטורה של חפץ לנקודה כזו היא דבר שטרם הושג.

תכונות קרינה תרמית

מאפיין מדהים המייחד את מנגנון העברת החום הזה מאחרים הוא שהוא אינו זקוק למדיום חומרי כדי לייצר אותו. כך, האנרגיה הנפלטת מהשמש, למשל, נעה 150 מיליון ק"מ בחלל ומגיעה לכדור הארץ ברציפות.

יש מודל מתמטי לדעת את כמות האנרגיה התרמית ליחידת זמן שאובייקט מקרין:

משוואה זו מכונה החוק של סטפן והכמויות הבאות מופיעות:

- אנרגיה תרמית לזמן יחידה P, המכונה כוח ושהיחידה שלה במערכת היחידות הבינלאומית היא הוואט או הוואט (W).

-שטח הפנים של האובייקט הפולט חום A, במטר רבוע.

-קבוע, הנקרא סטפן - קבוע בולצמן , מסומן על ידי σ וערכו 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-The emissivity (נקרא גם emittance) של דואר אובייקט, גודל חסר ממד (ללא יחידות) שערכם בין 0 ל -1 זה קשור לאופי של החומר: למשל יש במראה emissivity נמוך, ואילו גוף כהה מאוד יש אמירות גבוהה.

ולבסוף הטמפרטורה T בקלווין.

דוגמאות לקרינה תרמית

על פי החוק של סטפן, הקצב בו חפץ מקרין אנרגיה הוא פרופורציונלי לאזור, ל emissivity ולעוצמה הרביעית של הטמפרטורה.

מכיוון שקצב פליטת האנרגיה התרמית תלוי בכוח הרביעי של T, ברור כי לשינויים קטנים בטמפרטורה תהיה השפעה עצומה על הקרינה הנפלטת. לדוגמה, אם הטמפרטורה תכפיל, הקרינה הייתה עולה 16 פעמים.

מקרה מיוחד של חוקו של סטפן הוא הרדיאטור המושלם, חפץ אטום לחלוטין המכונה גוף שחור, שהנשירות שלו היא בדיוק 1. במקרה זה החוק של סטפן נראה כך:

זה קורה שחוקו של סטפן הוא מודל מתמטי המתאר בערך את הקרינה הנפלטת על ידי כל אובייקט, מכיוון שהוא רואה ב'שליחות 'קבוע. הרגישות תלויה למעשה באורך הגל של הקרינה הנפלטת, בגימור פני השטח וגורמים אחרים.

כאשר e נחשב קבוע והחוק של סטפן מוחל כמצוין בהתחלה, אז האובייקט נקרא גוף אפור.

ערכי הפליטה עבור חומרים מסוימים המטופלים כגוף אפור הם:

-אלומיניום מלוטש 0.05

פחמן שחור 0.95

-עור אנושי בכל צבע 0.97

-Ood 0.91

0.92

מים 0.91

נחושת בין 0.015 ל- 0.025

-סטל בין 0.06 ל- 0.25

קרינה תרמית מהשמש

דוגמא מוחשית לאובייקט הפולט קרינה תרמית היא השמש. ההערכה היא כי כל שנייה, כ -1,370 J של אנרגיה בצורת קרינה אלקטרומגנטית מגיעה לכדור הארץ מהשמש.

ערך זה ידוע כקבוע השמש ולכל כוכב לכת יש כזה, התלוי במרחק הממוצע שלו מהשמש.

קרינה זו בניצב עובר דרך כל מטר ² של שכבות האטמוספירה והוא מופץ באורכי גל שונים.

כמעט כל זה בא בצורת אור גלוי, אך חלק טוב מגיע כקרינה אינפרא אדום, וזה בדיוק מה שאנחנו תופסים כחום, וחלקם גם כקרניים אולטרה סגולות. זו כמות אנרגיה גדולה מספיק כדי לענות על צרכי כדור הארץ, בכדי לתפוס אותו ולהשתמש בו כראוי.

מבחינת אורך הגל, אלה הם הטווחים שבתוכם נמצאת קרינת השמש המגיעה לכדור הארץ:

- אינפרא אדום , מה שאנחנו תופסים כחום: 100 - 0.7 מיקרומטר *

- אור גלוי , בין 0.7 - 0.4 מיקרומטר

- אולטרה סגול , פחות מ 0.4 מיקרומטר

* מיקרומטר אחד = מיקרומטר אחד או כמיליון המטר.

החוק של וינה

התמונה למטה מציגה את התפלגות הקרינה לאורך אורך הגל לטמפרטורות שונות. ההפצה מצייתת לחוק העקירה של וינה, לפיו אורך הגל של הקרינה המרבית λ _{מקסימום} הוא ביחס הפוך לטמפרטורה T בקלווין:

λ _{מקסימום} T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

איור 2. תרשים של קרינה כפונקציה של אורך גל לגוף שחור. מקור: Wikimedia Commons.

לשמש טמפרטורת שטח של כ -5,700 K והיא מקרינה בעיקר באורכי גל קצרים יותר, כפי שראינו. העקומה המתקרבת ביותר לזו של השמש היא זו של 5000 K, בכחול וכמובן שיש לה את המקסימום בטווח האור הנראה. אבל זה גם פולט חלק טוב באינפרא אדום ואולטרה סגול.

יישומים של קרינה תרמית

אנרגיה סולארית

ניתן לאחסן את כמות האנרגיה הגדולה שקרינת השמש במכשירים שנקראים אספנים, כדי להפוך אותה מאוחר יותר ולהשתמש בה בנוחות כאנרגיה חשמלית.

מצלמות אינפרא אדום

מדובר במצלמות שכפי שמרמז, הן פועלות באזור האינפרא אדום במקום באור נראה, כמו מצלמות נפוצות. הם מנצלים את העובדה כי כל הגופים פולטים קרינה תרמית במידה רבה יותר או פחות בהתאם לטמפרטורה שלהם.

איור 3. תמונה של כלב שנתפס על ידי מצלמת אינפרא אדום. במקור, האזורים הקלים יותר מייצגים את אלה עם הטמפרטורה הגבוהה ביותר. הצבעים, שמתווספים במהלך העיבוד כדי להקל על הפרשנות, מראים את הטמפרטורות השונות בגוף החיה. מקור: Wikimedia Commons.

פירומטריה

אם הטמפרטורות גבוהות מאוד, מדידתן באמצעות מדחום כספית אינה האפשרות הטובה ביותר. לשם כך עדיפות פירומטרים, דרכם ניכרת הטמפרטורה של אובייקט בידיעת הנפחיות שלו, הודות לפליטה של ​​אות אלקטרומגנטי.

אַסטרוֹנוֹמִיָה

אור הכוכבים מעוצב היטב עם קירוב הגוף השחור, כמו גם היקום כולו. ומצידו, החוק של וינה משמש לעיתים קרובות באסטרונומיה לקביעת טמפרטורת הכוכבים, לפי אורך הגל של האור שהם פולטים.

התעשייה הצבאית

הטילים מכוונים אל המטרה באמצעות אותות אינפרא אדום המבקשים לאתר את האזורים החמים ביותר במטוסים, כמו מנועים למשל.

הפניות

1. Giambattista, A. 2010. Physics. 2. אד. מקגרו היל.
2. גומז, א. הולכה, הסעה והקרנות. התאושש מ: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. יישומים של קרינה תרמית. התאושש מ: www.ehu.eus.
4. מצפה הכוכבים של נאס"א. אקלים ותקציב האנרגיה של כדור הארץ. התאושש מ: earthobservatory.nasa.gov.
5. נטחנו. יישומי חום. התאושש מ: natahenao.wordpress.com.
6. סרווי, ר. פיסיקה למדע והנדסה. כרך 1. 7. למידה של אד. צ'נגז '.