TEPELNÉ ZÁŘENÍ: VLASTNOSTI, PŘÍKLADY, APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Tepelné záření je energie přenášena prostřednictvím tělesa s jeho teplotou a vlnové délky infračerveného elektromagnetického spektra. Všechna těla bez výjimky emitují infračervené záření, bez ohledu na to, jak nízká je jejich teplota.

Stává se, že při zrychleném pohybu oscilují elektricky nabité částice a díky své kinetické energii nepřetržitě emitují elektromagnetické vlny.

Obrázek 1. Velmi dobře známe tepelné záření vycházející ze Slunce, které je ve skutečnosti hlavním zdrojem tepelné energie. Zdroj: Pxhere.

Jediný způsob, jak tělo nevyzařuje tepelné záření, je, aby jeho částice byly zcela v klidu. Tímto způsobem by její teplota byla 0 na Kelvinově stupnici, ale snížení teploty předmětu na takový bod je něco, čeho ještě nebylo dosaženo.

Vlastnosti tepelného záření

Pozoruhodnou vlastností, která odlišuje tento mechanismus přenosu tepla od ostatních, je to, že k jeho výrobě nepotřebuje materiální médium. Například energie vyzařovaná Sluncem cestuje vesmírem 150 miliónů kilometrů a nepřetržitě dosahuje Země.

Existuje matematický model, který zná množství tepelné energie za jednotku času, kterou objekt vyzařuje:

Tato rovnice je známá jako Stefanův zákon a objevují se následující veličiny:

- Tepelná energie za jednotku času P, která je známá jako výkon a jejíž jednotkou v mezinárodním systému jednotek je watt nebo watt (W).

- Povrchová plocha objektu, který vydává teplo A, v metrech čtverečních.

-A konstantní, tzv Stefan - Boltzmannova konstanta, označený å a, jehož hodnota je 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴,

- emisivita (nazývaná také emise) objektu a bezrozměrná veličina (bez jednotky), jejíž hodnota je mezi 0 a 1. Souvisí to s povahou materiálu: takové zrcadlo má nízkou emisivitu, zatímco velmi tmavé tělo má vysoká emisivita.

- A konečně teplota T v kelvinech.

Příklady tepelného záření

Podle Stefanova zákona je rychlost, jakou objekt vyzařuje energii, úměrná ploše, emisivitě a čtvrté síle teploty.

Protože rychlost emise tepelné energie závisí na čtvrtém výkonu T, je zřejmé, že malé změny teploty budou mít obrovský dopad na emitované záření. Například, pokud se teplota zdvojnásobí, záření se zvýší 16krát.

Zvláštní případ Stefanova zákona je dokonalý zářič, zcela neprůhledný objekt zvaný černé tělo, jehož emisivita je přesně 1. V tomto případě Stefanův zákon vypadá takto:

Stává se, že Stefanův zákon je matematický model, který zhruba popisuje záření vyzařované jakýmkoli objektem, protože považuje emisivitu za konstantní. Emisivita ve skutečnosti závisí na vlnové délce emitovaného záření, povrchové úpravě a dalších faktorech.

Když je e považováno za konstantní a Stefanův zákon je aplikován, jak je uvedeno na začátku, pak se objekt nazývá šedé tělo.

Hodnoty emisivity pro některé látky považované za šedé tělo jsou:

- leštěný hliník 0,05

-Černý uhlík 0,95

- Lidská kůže jakékoli barvy 0.97

-Dobrý 0,91

- 0,92

-Vod 0,91

-Copper mezi 0,015 a 0,025

-Steel mezi 0,06 a 0,25

Tepelné záření ze Slunce

Hmatatelným příkladem předmětu, který vyzařuje tepelné záření, je Slunce. Odhaduje se, že každou sekundu dosáhne Země od Slunce přibližně 1 370 J energie ve formě elektromagnetického záření.

Tato hodnota je známá jako sluneční konstanta a každá planeta má jednu, která závisí na její průměrné vzdálenosti od Slunce.

Toto záření kolmo prochází každou m ² atmosférických vrstev a je distribuováno v různých vlnových délkách.

Téměř všechno přichází ve formě viditelného světla, ale dobrá část přichází jako infračervené záření, což je přesně to, co vnímáme jako teplo, a některé také jako ultrafialové paprsky. Je to velké množství energie, které uspokojí potřeby planety, aby ji bylo možné zachytit a správně využívat.

Pokud jde o vlnovou délku, jedná se o rozsahy, ve kterých se nachází sluneční záření, které dopadá na Zemi:

- Infračervené, co vnímáme jako teplo: 100 - 0,7 μm *

- Viditelné světlo mezi 0,7 - 0,4 μm

- Ultrafialové záření, menší než 0,4 μm

* 1 μm = 1 mikrometr nebo miliontina metru.

Wienův zákon

Obrázek níže ukazuje distribuci záření na vlnové délce pro různé teploty. Distribuční řídí Wien posunutí zákon, podle kterého je vlnová délka Maximální intenzita záření lambda _max je nepřímo úměrná teplotě T v kelvinech:

λ _max T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

Obrázek 2. Graf záření jako funkce vlnové délky pro černé tělo. Zdroj: Wikimedia Commons.

Slunce má povrchovou teplotu přibližně 5 700 K a vyzařuje primárně na kratších vlnových délkách, jak jsme viděli. Křivka, která se nejvíce blíží křivce Slunce, je křivka 5 000 K, modrá a samozřejmě má maximum v rozsahu viditelného světla. Ale také emituje velkou část v infračerveném a ultrafialovém záření.

Aplikace tepelného záření

Solární energie

Velké množství energie, kterou Slunce vyzařuje, může být uloženo v zařízeních zvaných kolektory, které je později transformují a využívají pohodlně jako elektrická energie.

Infračervené kamery

Jsou to kamery, které, jak název napovídá, fungují v infračervené oblasti místo ve viditelném světle, jako běžné fotoaparáty. Využívají skutečnosti, že všechna tělesa vyzařují tepelné záření ve větší či menší míře v závislosti na své teplotě.

Obrázek 3. Obrázek psa zachyceného infračervenou kamerou. Původně světlejší oblasti představují oblasti s nejvyšší teplotou. Barvy přidané během zpracování pro usnadnění interpretace ukazují různé teploty v těle zvířete. Zdroj: Wikimedia Commons.

Pyrometrie

Pokud jsou teploty velmi vysoké, není jejich měření rtuťovým teploměrem tou nejlepší volbou. K tomu se dává přednost pyrometrům, díky nimž se díky emisi elektromagnetického signálu odvodí teplota předmětu, který zná jeho emisivitu.

Astronomie

Hvězdné světlo je velmi dobře modelováno s aproximací černého těla i celého vesmíru. Vídeňský zákon se často používá v astronomii k určování teploty hvězd podle vlnové délky světla, které vyzařují.

Vojenský průmysl

Střely jsou zaměřeny na cíl pomocí infračervených signálů, které se snaží detekovat nejžhavější oblasti v letadle, například motory.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vedení, proudění a záření. Obnoveno z: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Aplikace tepelného záření. Obnoveno z: www.ehu.eus.
4. NASA Earth Observatory. Podnebí a rozpočet na energii Země. Obnoveno z: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Tepelné aplikace. Obnoveno z: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 1. 7. Ed. Cengage Learning.