Przenikanie ciepła promieniowania (z przykładami)

Plik promieniowanie wymiany ciepła Polega na przepływie energii przez fale elektromagnetyczne. Ponieważ fale te mogą poruszać się w próżni z prędkością światła, mogą również przenosić ciepło.

Fale elektromagnetyczne mają całe kontinuum długości fal, tzw widmo a to przechodzi od najdłuższych i najmniej energetycznych długości fal do najkrótszych i najbardziej energetycznych.

Wśród nich jest promieniowanie podczerwone, pasmo zbliżone do widzialnego pasma długości fali lub światła, ale poniżej niego. W ten sposób duże ilości ciepła ze Słońca docierają do Ziemi, pokonując miliony kilometrów.

Ale nie tylko żarzące się obiekty, takie jak Słońce, emitują ciepło w postaci promieniowania, w rzeczywistości każdy obiekt robi to w sposób ciągły, tylko że gdy temperatura jest niska, długość fali jest duża, a zatem energia, która jest do niej odwrotnie proporcjonalna. mały.

Indeks artykułów

• 1 W jaki sposób ciepło jest przenoszone przez promieniowanie?
  • 1.1 Prawo Stefana i prawo Wiena
• 2 Przykłady przekazywania ciepła przez promieniowanie
  • 2.1 Kuchenki elektryczne, tostery i grzejniki elektryczne
  • 2.2 Żarówki
  • 2.3 Słońce
  • 2.4 Ziemia
• 3 Odnośniki

W jaki sposób ciepło jest przenoszone przez promieniowanie?

Kiedy elektrony wibrują, emitują fale elektromagnetyczne. Jeśli fale mają niską częstotliwość, jest to równoznaczne ze stwierdzeniem, że ich długość fali jest długa, a ruch fali jest powolny, a zatem ma niewielką energię. Ale jeśli częstotliwość wzrasta, fala porusza się szybciej i ma więcej energii.

Obiekt o określonej temperaturze T często emituje promieniowanie fa, po to aby T Y fa są proporcjonalne. A ponieważ fale elektromagnetyczne nie potrzebują do propagacji ośrodka materialnego, fotony podczerwone, które są odpowiedzialne za propagację promieniowania, mogą bez problemu poruszać się w próżni..

W ten sposób promieniowanie słoneczne dociera do Ziemi i innych planet. Jednak wraz z odległością fale słabną, a ilość ciepła maleje.

Prawo Stefana i prawo Wiena

Plik prawo Stefana stwierdza, że ​​moc wypromieniowana P (na wszystkich długościach fal) jest proporcjonalna do T.⁴, zgodnie z wyrażeniem:

P =DOσeT⁴

W jednostkach International System moc podawana jest w watach (W), a temperatura w kelwinach (K). W tym równaniu A jest polem powierzchni obiektu, σ jest stałą Stefana - Boltzmana, która wynosi 5,66963 x10^-8 W / m^dwa K.⁴,

Wreszcie e jest emisyjność  lub emitancja obiektu, wartość liczbowa bez jednostek, między 0 a 1. Wartość jest podawana zgodnie z materiałem, ponieważ bardzo ciemne ciała mają wysoką emisyjność, w przeciwieństwie do lustra.

Źródła promieniowania, takie jak żarnik żarówki lub Słońce, emitują promieniowanie o wielu długościach fal. Słońce znajduje się prawie w całości w widzialnym obszarze widma elektromagnetycznego.

Między maksymalną długością fali λ_max a temperatura T emitera jest zależna od prawa Wiena:

λ_max ∙ T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Promieniowanie z czarnego ciała

Poniższy rysunek przedstawia krzywe emisji energii w funkcji temperatury w kelwinach dla idealnego obiektu, który pochłania całe docierające do niego promieniowanie i jest z kolei doskonałym emiterem. Ten obiekt nazywa się czarne ciało.

Przestrzenie między węglami żaru w piecu zachowują się jak idealne emiterów promieniowania, typu ciała czarnego, z dość bliskim przybliżeniem. Przeprowadzono liczne eksperymenty, aby określić różne krzywe temperatury i odpowiadające im rozkłady długości fal..

Jak widać, im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali, tym wyższa częstotliwość, a promieniowanie ma więcej energii..

Zakładając, że Słońce zachowuje się jak ciało czarne, spośród krzywych pokazanych na rysunku najbliższa temperaturze powierzchni Słońca wynosi 5500 K. Jej szczyt ma długość fali 500 nm (nanometrów).

Temperatura powierzchni słonecznej wynosi około 5700 K. Z prawa Wiena:

λ_max = 2898 × ​​10 ⁻³ m⋅K / 5700 K = 508,4 nm

Ten wynik z grubsza zgadza się z wynikiem pokazanym na wykresie. Ta długość fali należy do widzialnego obszaru widma, jednak należy podkreślić, że reprezentuje ona tylko szczyt rozkładu. W rzeczywistości Słońce promieniuje większość swojej energii pomiędzy falami podczerwonymi, widmem widzialnym i ultrafioletem..

Przykłady przekazywania ciepła przez promieniowanie

Wszystkie obiekty, bez wyjątku, emitują jakąś formę ciepła promieniowania, jednak niektóre są znacznie bardziej znanymi emiterami:

Kuchenki elektryczne, tostery i grzejniki elektryczne

Kuchnia to dobre miejsce do badania mechanizmów wymiany ciepła, np. Promieniowanie widać po (ostrożnym) zbliżeniu dłoni do świecącego na pomarańczowo palnika elektrycznego. Lub też żar z grilla do grillowania.

Elementy rezystancyjne w grzejnikach elektrycznych, tosterach i piekarnikach również nagrzewają się i świecą na pomarańczowo, przenosząc również ciepło promieniowania..

Żarówki

Żarnik żarówek osiąga wysokie temperatury, między 1200 a 2500 ºC, emitując energię rozproszoną w promieniowaniu podczerwonym (w większości) i widzialnym świetle pomarańczowym lub żółtym..

Słońce

Słońce przekazuje ciepło poprzez promieniowanie w kierunku Ziemi, poprzez przestrzeń, która je oddziela. W rzeczywistości promieniowanie jest najważniejszym mechanizmem wymiany ciepła w prawie wszystkich gwiazdach, chociaż inne, takie jak konwekcja, również odgrywają ważną rolę..

Źródłem energii wewnątrz Słońca jest termojądrowy reaktor termojądrowy w rdzeniu, który uwalnia duże ilości energii poprzez zamianę wodoru w hel. Duża część tej energii ma postać światła widzialnego, ale jak wyjaśniono wcześniej, ważne są również długości fal ultrafioletu i podczerwieni..

Ziemia

Planeta Ziemia jest również emiterem promieniowania, chociaż nie ma w swoim centrum reaktora, takiego jak Słońce..

Emisje Ziemi są spowodowane radioaktywnym rozpadem różnych minerałów w jej wnętrzu, takich jak uran i rad. Dlatego wnętrze kopalni głębinowych jest zawsze gorące, chociaż ta energia cieplna ma niższą częstotliwość niż emitowana przez Słońce..

Ponieważ atmosfera ziemska jest selektywna przy różnych długościach fal, ciepło słoneczne dociera do powierzchni bez problemu, ponieważ atmosfera przepuszcza wyższe częstotliwości..

Jednak atmosfera jest nieprzezroczysta dla promieniowania podczerwonego o niższej energii, takiego jak wytwarzane na Ziemi z przyczyn naturalnych i przez ludzkie ręce. Innymi słowy, nie pozwala mu uciec na zewnątrz, a tym samym przyczynia się do globalnego ocieplenia planety..

Bibliografia

1. Giambattista, A. 2010. Fizyka. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed prentice hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualne nauki fizyczne. 5. Ed Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. Ed. Tom 1. Pearson.
5. Serway, R., Jewett, J. 2008. Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
6. Tippens, P. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7th Edition. Mcgraw hill.