Trasferimento di calore a radiazioni (con esempi)

IL Trasferimento di calore per radiazione È costituito da un flusso di energia attraverso le onde elettromagnetiche. Poiché queste onde possono muoversi attraverso il vuoto alla velocità della luce, possono anche trasmettere calore.

Le onde elettromagnetiche hanno lunghezze d'onda continue, chiamate spettro E questo va dalle lunghezze d'onda più lunghe e meno energetiche, alla più breve e con maggiore energia.

Tra questi c'è la radiazione a infrarossi, una banda vicino alla striscia di lunghezza d'onda visibile, ma sotto di essa. In questo modo grandi quantità di calore dal sole raggiungono la terra, attraversando milioni di chilometri.

Ma non solo oggetti incandescenti come il sole emettono il calore sotto forma di radiazioni, in realtà qualsiasi oggetto lo fa continuamente, solo quando la temperatura è bassa, la lunghezza d'onda è grande e quindi l'energia, che è inversamente proporzionale ad essa, è piccola.

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Come viene trasmesso il calore dalle radiazioni?

La combustione dei carboni trasmette il calore mediante radiazioni

Gli elettroni vibrano, emettono onde elettromagnetiche. Se le onde sono basse frequenza, è equivalente a dire che la loro lunghezza d'onda è lunga e il movimento delle onde è lento, quindi ha poca energia. Ma se la frequenza aumenta, l'onda si muove più velocemente e ha più energia.

Un oggetto con un po 'di temperatura T emette frequentemente radiazioni F, affinché T E F Sono proporzionali. E poiché le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo materiale per diffondere, i fotoni a infrarossi, che sono responsabili della diffusione delle radiazioni, possono essere spostati senza un problema vuoto.

Ecco come arriva la radiazione del sole sulla terra e gli altri pianeti. Tuttavia, con la distanza le onde sono attenuate e la quantità di calore diminuisce.

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La legge di Stefan e la legge di Wien

IL Stefan Law afferma che il potere potrebbe⁴, Secondo l'espressione:

P =AσeT⁴

Nelle unità di sistema internazionale, l'energia è disponibile in Watts (W) e la temperatura in Kelvin (K). In questa equazione, A è la superficie dell'oggetto, σ È costante di Stefan - Boltzman, che vale 5.66963 X10^-8 W/m² K⁴,

Finalmente E è il Emisività  O Problema dell'oggetto, un valore numerico senza unità, tra 0 e 1. Il valore è dato in base al materiale, poiché i corpi molto scuri hanno un'alta emissività, piuttosto l'opposto di uno specchio.

Le fonti di radiazioni, come il filamento di un bulbo o del sole, emettono radiazioni in molte lunghezze d'onda. Il sole è quasi tutto nella regione visibile dello spettro elettromagnetico.

Tra la lunghezza d'onda massima λ_Max E la temperatura dell'emettitore è una relazione data dalla legge di Wien:

λ_Max ∙ t = 2.898 . 10 ⁻³ M⋅k

La radiazione di un corpo nero

La figura seguente mostra curve di emissione di energia a seconda della temperatura in Kelvin, per un oggetto ideale che assorbe tutte le radiazioni che la colpiscono e a sua volta è un emettitore perfetto. Questo oggetto è chiamato Corpo nero.

Distribuzione della lunghezza d'onda per varie temperature. Fonte: Wikimedia Commons.

Gli spazi tra i carboni delle braci in un forno, si comportano come emettitori di radiazioni ideali, del tipo di corpo nero, con abbastanza approccio. Sono stati fatti numerosi esperimenti per determinare le diverse curve di temperatura e le rispettive distribuzioni di lunghezze d'onda.

Come si può vedere, a una temperatura più alta, inferiore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza e le radiazioni hanno più energia.

Supponendo che il sole si comporti come un corpo nero, tra le curve mostrate nella figura, quella più vicina alla temperatura della superficie solare è quella di 5500 K. Il suo picco si trova nella lunghezza d'onda di 500 nm (nanometri).

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La temperatura della superficie solare è di circa 5700 K. Della legge di Wien:

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

Questo risultato è approssimativamente coerente con quello osservato nella grafica. Questa lunghezza d'onda appartiene alla regione visibile dello spettro, tuttavia, si deve sottolineare che solo il picco di distribuzione rappresenta. In realtà il sole irradia la maggior parte della sua energia tra le lunghezze d'onda a infrarossi, lo spettro visibile e l'ultravioletta.

Esempi di trasferimento di calore per radiazione

Tutti gli oggetti, senza eccezione, emettono una qualche forma di calore per radiazione, tuttavia alcuni sono emettitori molto più notevoli:

Cucine elettriche, tostapane e riscaldamento elettrico

La cucina è un buon posto per studiare i meccanismi di trasferimento del calore, ad esempio la radiazione può essere vista avvicinarsi (con cura) la mano al panino elettrico che brilla con un bagliore arancione. O anche alle griglie di una griglia da arrostire.

Anche gli elementi resistivi del riscaldatore, dei tostapane e dei forni elettrici sono riscaldati e acquisiscono un bagliore arancione, trasmettendo anche calore mediante radiazioni.

Bulbi a incandescenza

Il filamento delle lampadine a incandescenza raggiunge le alte temperature, tra 1200 e 2500 ºC, emettendo energia distribuita nelle radiazioni a infrarossi (la maggior parte) e luce visibile, arancione o giallo.

Sole

Il sole trasmette il calore per radiazione sulla terra, attraverso lo spazio che li separa. In effetti, le radiazioni sono il meccanismo di trasferimento del calore più importante in quasi tutte le stelle, sebbene anche altri, come la convezione, svolgono un ruolo importante.

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La fonte di energia all'interno del sole è il reattore di fusione termonucleare nel nucleo, che rilascia grandi quantità di energia attraverso la conversione dell'idrogeno in elio. Una buona parte di quell'energia è nella luce visibile, ma come precedentemente spiegato, le lunghezze d'onda dell'ultravioletta e dell'infrarosso sono importanti.

La terra

Il pianeta Terra è anche un emettitore di radiazioni, sebbene non abbia un reattore al suo centro, come il sole.

Le emissioni terrestri sono dovute al decadimento radioattivo di vari minerali all'interno, come l'uranio e la radio. Ecco perché l'interno delle miniere profonde è sempre calda, sebbene questa energia termica sia una frequenza inferiore rispetto al sole emesso.

Poiché l'atmosfera della terra è selettiva con le diverse lunghezze d'onda, il calore del sole raggiunge la superficie senza problemi, poiché l'atmosfera consente di passare le frequenze principali.

Tuttavia, l'atmosfera è opaca prima delle radiazioni a infrarossi a bassa energia, come quella prodotta sulla Terra a causa di cause naturali e per mano umana. In altre parole, non lo permette di sfuggire e quindi contribuisce al riscaldamento globale del pianeta.

Riferimenti

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