Przenoszenie ciepła promieniowania (z przykładami)

przenoszenie ciepła przez promieniowanie Składa się z przepływu energii przez fale elektromagnetyczne. Ponieważ fale te mogą poruszać się przez próżnię z prędkością światła, mogą również przekazywać ciepło.

Fale elektromagnetyczne mają ciągłe długości fali, zwane widmo i to przechodzi od dłuższych i mniej długości fali energii, do najkrótszych i z większą energią.

Wśród nich jest promieniowanie na podczerwień, pasek w pobliżu widzialnego paska długości fali, ale pod nim. W ten sposób duże ilości ciepła ze słońca docierają do ziemi, przekraczając miliony kilometrów.

Ale nie tylko obiekty żarowe, takie jak słońce, emitują ciepło w postaci promieniowania, w rzeczywistości każdy obiekt robi to w sposób ciągły, tylko wtedy, gdy temperatura jest niska, długość fali jest duża, a zatem energia, która jest odwrotnie proporcjonalna, jest niewielka.

[TOC]

Jak przenosi ciepło przez promieniowanie?

Płonące węgle przenoszą ciepło przez promieniowanie

Elektrony wibrują, emituj fale elektromagnetyczne. Jeśli fale mają niską częstotliwość, równoważne jest stwierdzenie, że ich długość fali jest długa, a ruch falowy, dlatego ma niewielką energię. Ale jeśli częstotliwość wzrośnie, fala porusza się szybciej i ma więcej energii.

Obiekt o pewnej temperaturze T często emituje promieniowanie F, aby T I F Są proporcjonalne. A ponieważ fale elektromagnetyczne nie potrzebują materialnego pożywki do rozprzestrzeniania się, fotony podczerwieni, które są odpowiedzialne za rozprzestrzenianie promieniowania, można przenosić bez problemu z pustką.

W ten sposób promieniowanie słońca przybywa na ziemię i inne planety. Jednak wraz z odległością fale są osłabione, a ilość ciepła maleje.

Może ci służyć: Bilans tłumaczeń: warunki, przykłady, ćwiczenia

Prawo Stefana i prawo Wien

STEFAN LAW stwierdza, że ​​moc może⁴, Zgodnie z wyrażeniem:

P =DOσeT⁴

W międzynarodowych jednostkach systemowych moc występuje w Watts (W) i temperaturze w Kelvin (K). W tym równaniu A jest powierzchnią obiektu, σ To stała Stefana - Boltzman, który jest wart 5.66963 x10^-8 W/m² K⁴,

Wreszcie E jest Emisivity  albo Wydanie obiektu, wartość liczbowa bez jednostek, od 0 do 1. Wartość jest podawana według materiału, ponieważ bardzo ciemne ciała mają wysoką emisyjność, zupełnie odwrotnie od lustra.

Źródła promieniowania, takie jak żarówka lub słońce, emituj promieniowanie w wielu długościach fali. Słońce jest prawie wszystkie w widocznym obszarze spektrum elektromagnetycznego.

Między maksymalną długością fali λ_Max A temperatura emitera jest relacją podaną przez prawo Wien:

λ_Max ∙ t = 2.898 . 10 ⁻³ M⋅K

Promieniowanie czarnego ciała

Poniższy rysunek pokazuje krzywe emisji energii w zależności od temperatury w Kelvin, dla idealnego obiektu, który pochłania całe promieniowanie, które na niego wpływa, a z kolei jest idealnym emiterem. Ten obiekt jest nazywany Czarne ciało.

Rozkład długości fali dla różnych temperatur. Źródło: Wikimedia Commons.

Przestrzenie między węglem żaru w piekarniku zachowują się jak idealne emitera promieniowania, rodzaju czarnego ciała, z wystarczającym podejściem. Przeprowadzono wiele eksperymentów w celu określenia różnych krzywych temperatury i ich rozkładów długości fali.

Jak widać, w wyższej temperaturze, niższa jest długość fali, im większa częstotliwość i promieniowanie ma więcej energii.

Zakładając, że słońce zachowuje się jak czarne ciało, wśród krzywych pokazanych na rysunku, ta, która najbliżej temperatury powierzchni słonecznej wynosi 5500 K. Jego szczyt znajduje się w długości fali 500 nm (nanometry).

Może ci służyć: konwekcyjna transfer ciepła (z przykładami)

Temperatura powierzchni słonecznej wynosi około 5700 K. Prawa Wien:

λ_Max = 2.898 × ​​10 ⁻³ M⋅K / 5700 k = 508, 4 nm

Wynik ten jest w przybliżeniu zgodny z obserwowanym na grafice. Ta długość fali należy do widocznego regionu widma, jednak należy podkreślić, że tylko pik rozkładu reprezentuje. W rzeczywistości słońce promieniuje większość swojej energii między długościami fali podczerwieni, widmem widzialnym i ultrafioletem.

Przykłady transfer ciepła przez promieniowanie

Wszystkie obiekty, bez wyjątku, emitują jakąś formę ciepła przez promieniowanie, niektóre są znacznie bardziej znaczące emiter:

Kuchnie elektryczne, tostery i ogrzewanie elektryczne

Kuchnia jest dobrym miejscem do zbadania mechanizmów przenoszenia ciepła, na przykład promieniowanie można zbliżać (ostrożnie) rękę do bułki elektrycznej, która świeci pomarańczową blaskiem. Lub także do grilli grilla do pieczenia.

Elementy rezystancyjne grzejnika, tosterów i piekarników elektrycznych są również ogrzewane i pozyskują pomarańczowy blask, również przenosząc ciepło przez promieniowanie.

Żarówki

Filament żarówek żarowych osiąga wysokie temperatury, między 1200 a 2500 °.

Słońce

Słońce przenosi ciepło przez promieniowanie na ziemię, przez przestrzeń, która je oddziela. W rzeczywistości promieniowanie jest najważniejszym mechanizmem przenoszenia ciepła w prawie wszystkich gwiazdach, chociaż inne, takie jak konwekcja, również odgrywają ważną rolę.

Może ci służyć: fale liniowe: koncepcja, cechy, przykłady

Źródłem energii wewnątrz słońca jest termojądrowy reaktor fuzyjny w jądrze, który uwalnia duże ilości energii przez konwersję wodoru do helu. Znaczna część tej energii znajduje się w świetle widzialnym, ale jak wyjaśniono wcześniej, długości fali ultrafioletu i podczerwieni są również ważne.

Ziemia

Ziemia planety jest również emiterem promieniowania, chociaż nie ma reaktora w swoim środku, takim jak słońce.

Emisje naziemne są spowodowane rozkładem radioaktywnym różnych minerałów w środku, takich jak uran i radio. Dlatego wnętrze głębokich kopalń jest zawsze gorące, chociaż ta energia cieplna jest niższą częstotliwość niż emitowana słońce.

Ponieważ atmosfera Ziemi jest selektywna z różnymi długościami fali, ciepło słońca bez problemu dociera do powierzchni, ponieważ atmosfera pozwala przejść główne częstotliwości.

Jednak atmosfera jest nieprzezroczysta przed promieniowaniem niższej energii w podczerwieni, takim jak ta wytwarzana na ziemi z przyczyn naturalnych i ludzką ręką. Innymi słowy, nie pozwala na ucieczkę na zewnątrz, a zatem przyczynia się do globalnego ocieplenia planety.

Bibliografia

1. Giambattista, a. 2010. Fizyka. 2. Wyd. McGraw Hill.
2. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6th. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualna nauka fizyczna. 5. Wyd. osoba.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z nowoczesną fizyką. 14. Wyd. Tom 1. osoba.
5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Fizyka nauk i inżynierii. Tom 1. 7th. Wyd. Cengage Learning.
6. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7. edycja. McGraw Hill.