Proprietà delle radiazioni termiche, esempi, applicazioni

IL Radiazione termica È l'energia trasmessa da un corpo grazie alla sua temperatura e attraverso le lunghezze d'onda a infrarossi dello spettro elettromagnetico. Tutti i corpi senza eccezione emettono alcune radiazioni a infrarossi, non importa quanto bassa sia la loro temperatura.

Succede che quando sono in movimento accelerato, le particelle caricate elettricamente oscillano e grazie alla loro energia cinetica, emettono continuamente onde elettromagnetiche.

Figura 1. Conosciamo molto bene la radiazione termica che viene dal sole, che in realtà è la principale fonte di energia termica. Fonte: pxhere.

L'unico modo in cui un corpo non emette radiazioni termiche è che le sue particelle sono in totale riposo. In questo modo la sua temperatura sarebbe 0 sulla scala Kelvin, ma riduce al punto che la temperatura di un oggetto è qualcosa che non è stato ancora raggiunto.

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Proprietà delle radiazioni termiche

Una proprietà straordinaria che distingue questo meccanismo di trasferimento di calore dagli altri, è che non è necessario un mezzo materiale. Pertanto, l'energia emessa dal sole, ad esempio, viaggia in 150 milioni di chilometri attraverso lo spazio e arriva continuamente sulla terra.

Esiste un modello matematico per conoscere la quantità di energia termica per unità di tempo che irradia un oggetto:

P =AσeT⁴

Questa equazione è nota come legge di Stefan e compaiono le seguenti magnitudini:

-Energia termica per unità di tempo P, che è noto come potere e la cui unità nel sistema internazionale di unità è Watt o Watt (W).

-Lui Area superficiale dell'oggetto che emette calore A, in metri quadrati.

-Una costante, chiamata Stefan Constant - Boltzman, denotato da σ E il cui valore è 5.66963 X10^-8 W/m² K⁴,

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-IL Emisività (Chiamato anche Problema) dell'oggetto E, una quantità senza dimensioni (senza unità) il cui valore è compreso tra 0 e 1. È correlato alla natura del materiale: ad esempio uno specchio ha una bassa emissività, mentre un corpo molto oscuro ha un'elevata emissività.

-E infine il temperatura T A Kelvin.

Esempi di radiazioni termiche

Secondo la legge di Stefan, la velocità con cui un oggetto irradia energia è proporzionale all'area, all'emissività e alla quarta potenza di temperatura.

Poiché il tasso di emissione di energia termica dipende dalla quarta potenza di T, è evidente che le piccole variazioni di temperatura avranno un enorme effetto sulla radiazione emessa. Ad esempio, se la temperatura viene raddoppiata, le radiazioni aumenterebbe 16 volte.

Un caso speciale della legge di Stefan è il radiatore perfetto, un oggetto completamente opaco chiamato Corpo nero, la cui emissività è esattamente 1. In questo caso, la legge di Stefan è così:

P =AσT⁴

Succede che la legge di Stefan sia un modello matematico che descrive approssimativamente le radiazioni emesse da qualsiasi oggetto, poiché considera l'emissività come una costante. In realtà l'emissività dipende dalla lunghezza d'onda della radiazione emessa, dalla finitura superficiale e da altri fattori.

Se considerato E Come costante e la legge di Stefan viene applicata come indicato all'inizio, allora l'oggetto viene chiamato Corpo grigio.

I valori dell'emissività per alcune sostanze trattate come un corpo grigio sono:

-Alluminio lucido 0.05

-Carbone nero 0.95

-Pelle umana di qualsiasi colore 0.97

-Wood 0.91

-Ghiaccio 0.92

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-Acqua 0.91

-Rame tra 0.015 e 0.025

-Acciaio tra 0.06 e 0.25

La radiazione termica del sole

Un esempio tangibile di un oggetto che emette radiazioni termiche è il sole. Si stima che ogni secondo, circa 1370 J di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica arrivino sulla terra dal sole.

Questo valore è noto come il costante solare E ogni pianeta ne ha uno, che dipende dalla sua distanza media dal sole.

Questa radiazione viene attraversata perpendicolarmente da ogni m² di strati atmosferici ed è distribuito in varie lunghezze d'onda.

Quasi tutto arriva nella luce visibile, ma una buona parte arriva come radiazioni a infrarossi, che è esattamente ciò che percepiamo come calore, e un altro anche come raggi ultravioletti. È sufficiente una grande quantità di energia per soddisfare le esigenze del pianeta, al fine di catturarlo e approfittarne.

In termini di lunghezza d'onda, questi sono gli intervalli all'interno delle quali è la radiazione solare che raggiunge la terra:

-Infrarosso, Quello che percepiamo come calore: 100 - 0.7 μm*

-Luce visibile, tra 0.7 - 0.4 μm

-Ultravioletto, Meno di 0.4 μm

*1 μm = 1 micrometro o il milionesimo di un metro.

La legge di Wien

L'immagine seguente mostra la distribuzione delle radiazioni rispetto alla lunghezza d'onda per diverse temperature. La distribuzione è dovuta alla legge di spostamento di Wien, in base alla quale la lunghezza d'onda di radiazione massima λ_max È inversamente proporzionale alla temperatura T in Kelvin:

λ_max T = 2.898 . 10 ⁻³ M⋅k

figura 2. Grafico delle radiazioni a seconda della lunghezza d'onda per un corpo nero. Fonte: Wikimedia Commons.

Il sole ha una temperatura superficiale di circa 5700 K e si irradia principalmente in lunghezze d'onda più brevi, come abbiamo visto. La curva che si avvicina al massimo del sole è di 5000 K, in blu e ovviamente ha il massimo nella gamma di luci visibili. Ma emette anche una buona parte in infrarossi e ultravioletto.

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Applicazioni di radiazione termica

Energia solare

La grande quantità di energia che il sole irradia può essere immagazzinata su dispositivi chiamati Collezionisti, e poi trasformarlo e usarlo comodamente come elettricità.

Telecamere a infrarossi

Sono telecamere che, come suggeriscono il nome, operano nella regione a infrarossi invece di farlo in luce visibile, come le camere comuni. Sfruttano il fatto che tutti i corpi emettono radiazioni termiche in misura maggiore o minore in base alla loro temperatura.

Figura 3. Immagine di un cane catturato da una camera a infrarossi. Originariamente le aree più chiare rappresentano la temperatura più alta. I colori, che vengono aggiunti durante l'elaborazione per facilitare l'interpretazione, mostrano le diverse temperature nel corpo dell'animale. Fonte: Wikimedia Commons.

Pirometria

Se le temperature sono molto alte, misurale con un termometro a mercurio non è il più indicato. Per questo, il pirometri, attraverso il quale viene dedotta la temperatura di un oggetto conoscendo la sua emissività, grazie all'emissione di un segnale elettromagnetico.

Astronomia

La luce delle stelle è modellata molto bene con l'approssimazione del corpo nero, così come l'intero universo. E da parte sua, la legge di Wien è spesso usata in astronomia per determinare la temperatura delle stelle, secondo la lunghezza d'onda della luce che emettono.

Industria militare

Missile.

Riferimenti

1. Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, e. Guida, convezione e radiazioni. Recuperato da: Eltamiz.com.
3. González de arrieta, i. Applicazioni di radiazione termica. Recuperato da: www.Ehu.EUS.
4. Osservatorio della Terra della NASA. Budget energetico clima e terrestre. Recuperato da: erorrobservatory.vaso.Gov.
5. Natahenoo. Applicazioni di calore. Recuperato da: Cinehenao.WordPress.com.
6. Serway, r. Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. 7 °. Ed. Apprendimento del Cengage.