RADIAȚIA TERMICĂ: PROPRIETĂȚI, EXEMPLE, APLICAȚII - FIZIC - 2025

Radiația termică este energia transmisă de către un organism cu temperatura acestuia și de lungimile de undă a spectrului electromagnetic în infraroșu. Toate corpurile, fără excepție, emit o radiație infraroșie, indiferent de cât de scăzută este temperatura lor.

Se întâmplă ca atunci când sunt în mișcare accelerată, particulele încărcate electric să oscileze și, datorită energiei cinetice, acestea emit continuu unde electromagnetice.

Figura 1. Suntem foarte familiarizați cu radiația termică care provine de la Soare, care este de fapt principala sursă de energie termică. Sursa: Pxhere.

Singurul mod în care un corp nu emite radiații termice este ca particulele sale să fie complet în repaus. În acest fel, temperatura sa ar fi 0 pe scara Kelvin, dar reducerea temperaturii unui obiect la un astfel de punct este ceva care nu a fost încă realizat.

Proprietățile radiațiilor termice

O proprietate remarcabilă care distinge acest mecanism de transfer de căldură de alții este faptul că nu are nevoie de un material material pentru a-l produce. Astfel, energia emisă de Soare, de exemplu, parcurge 150 de milioane de kilometri prin spațiu și ajunge pe Pământ continuu.

Există un model matematic pentru a cunoaște cantitatea de energie termică pe unitatea de timp pe care un obiect radiază:

Această ecuație este cunoscută sub numele de legea lui Ștefan și apar următoarele cantități:

- Energia termică pe unitatea de timp P, care este cunoscută sub numele de putere și a cărei unitate în Sistemul Internațional de Unități este watt sau watt (W).

-Cele suprafața obiectului care emite căldură A, în metri pătrați.

-O constantă, numită Stefan - constantă Boltzman , notată cu σ și a cărei valoare este 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-Cele emisivitate (numită emisivitate) a obiectului e, o cantitate adimensional (fără unități) a cărei valoare este cuprinsă între 0 și 1. Este legată de natura materialului: de exemplu , o oglindă are o emisivitate scăzută, în timp ce un corp foarte întunecat are emisivitate ridicată.

-Și în sfârșit temperatura T în kelvin.

Exemple de radiații termice

Conform legii lui Ștefan, viteza cu care un obiect radiază energie este proporțională cu aria, emisivitatea și a patra putere a temperaturii.

Deoarece rata de emisie a energiei termice depinde de a patra putere de T, este clar că mici schimbări de temperatură vor avea un efect uriaș asupra radiațiilor emise. De exemplu, dacă temperatura se dublează, radiația ar crește de 16 ori.

Un caz special al legii lui Ștefan este radiatorul perfect, un obiect complet opac numit corp negru, a cărui emisivitate este exact 1. În acest caz, legea lui Stefan arată astfel:

Se întâmplă că legea lui Ștefan este un model matematic care descrie aproximativ radiațiile emise de orice obiect, deoarece consideră emisivitatea ca o constantă. Emisivitatea depinde de fapt de lungimea de undă a radiației emise, de finisajul suprafeței și de alți factori.

Când e este considerată constantă și legea lui Ștefan este aplicată așa cum este indicat la început, atunci obiectul se numește corp gri.

Valorile de emisivitate pentru unele substanțe tratate ca corp gri sunt:

-Aluminiu lustruit 0,05

-Carbon negru 0,95

-Piel uman de orice culoare 0,97

-Bună 0,91

-Ice 0,92

-Apa 0,91

-Coperă între 0,015 și 0,025

-Seile cuprinse între 0,06 și 0,25

Radiația termică de la Soare

Un exemplu tangibil de obiect care emite radiații termice este Soarele. Se estimează că în fiecare secundă, aproximativ 1.370 J de energie sub formă de radiație electromagnetică ajung pe Pământ de la Soare.

Această valoare este cunoscută sub numele de constantă solară și fiecare planetă are una, care depinde de distanța medie de Soare.

Această radiație trece perpendicular pe fiecare m ² din straturile atmosferice și este distribuită pe diferite lungimi de undă.

Aproape toate acestea sunt sub formă de lumină vizibilă, dar o bună parte vine ca radiații infraroșii, care este tocmai ceea ce percepem ca căldură, iar unele, de asemenea, ca raze ultraviolete. Este o cantitate mare de energie suficientă pentru a satisface nevoile planetei, pentru a-l capta și folosi corect.

În ceea ce privește lungimea de undă, acestea sunt intervalele în care se găsește radiația solară care ajunge pe Pământ:

- Infraroșu , ceea ce percepem ca căldură: 100 - 0,7 μm *

- Lumină vizibilă , între 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolete , sub 0,4 μm

* 1 μm = 1 micrometru sau o milionime de metru.

Legea lui Wien

Imaginea de mai jos arată distribuția radiațiilor pe lungimea de undă pentru diferite temperaturi. Distribuția respectă legea de deplasare a lui Wien, conform căreia lungimea de undă a radiației maxime λ _max este invers proporțională cu temperatura T în kelvin:

λ _max T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Figura 2. Graficul radiației ca funcție a lungimii de undă pentru un corp negru. Sursa: Wikimedia Commons.

Soarele are o temperatură de suprafață de aproximativ 5.700 K și radiază în principal la lungimi de undă mai scurte, așa cum am văzut. Curba care se apropie cel mai mult de cea a Soarelui este cea de 5000 K, în albastru și are desigur maximul în domeniul luminii vizibile. Dar, de asemenea, emite o parte bună în infraroșu și ultraviolete.

Aplicații ale radiațiilor termice

Energie solara

Cantitatea mare de energie pe care Soarele o radiază poate fi stocată în dispozitive numite colectoare, pentru a o transforma ulterior și a o folosi convenabil ca energie electrică.

Camere infraroșii

Sunt camere care, după cum sugerează și numele lor, funcționează în regiunea infraroșu, în loc de lumină vizibilă, precum camerele obișnuite. Acestea profită de faptul că toate corpurile emit radiații termice într-o măsură mai mare sau mai mică în funcție de temperatura lor.

Figura 3. Imagine a unui câine capturat de o cameră cu infraroșu. Inițial zonele mai ușoare reprezintă cele cu cea mai mare temperatură. Culorile, care sunt adăugate în timpul procesării pentru a facilita interpretarea, arată diferitele temperaturi din corpul animalului. Sursa: Wikimedia Commons.

Pirometrie

Dacă temperaturile sunt foarte mari, măsurarea acestora cu un termometru cu mercur nu este cea mai bună opțiune. Pentru aceasta, sunt preferate pirometrele, prin care se deduce temperatura unui obiect cunoscând emisivitatea acestuia, datorită emiterii unui semnal electromagnetic.

Astronomie

Starlight este foarte bine modelat cu aproximarea corpului negru, precum și întregul univers. Și, la rândul său, legea lui Wien este frecvent utilizată în astronomie pentru a determina temperatura stelelor, în funcție de lungimea de undă a luminii pe care o emit.

Industria militară

Rachetele sunt orientate spre țintă folosind semnale infraroșii care încearcă să detecteze cele mai tari zone din aeronave, cum ar fi motoarele de exemplu.

Referințe

1. Giambattista, A. 2010. Fizică. 2a. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conducție, convecție și radiații. Recuperat de la: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Aplicații ale radiațiilor termice. Recuperat de la: www.ehu.eus.
4. Observatorul Pământului NASA Bugetul energetic al climei și al Pământului. Recuperat din: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Aplicații de căldură. Recuperat de la: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Fizică pentru știință și inginerie. Volumul 1. 7. Ed. Cengage Learning.