การแผ่รังสีความร้อน: คุณสมบัติตัวอย่างการใช้งาน - กายภาพ - 2025

การแผ่รังสีความร้อนเป็นพลังงานที่ส่งมาจากร่างกายที่มีอุณหภูมิและความยาวคลื่นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าอินฟราเรด ร่างกายทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้นจะปล่อยรังสีอินฟราเรดออกมาไม่ว่าอุณหภูมิจะต่ำเพียงใด

มันเกิดขึ้นเมื่อพวกมันอยู่ในการเคลื่อนที่แบบเร่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะสั่นและด้วยพลังงานจลน์ของมันพวกมันจึงปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 1 เราคุ้นเคยกับการแผ่รังสีความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์ซึ่งแท้จริงแล้วเป็นแหล่งพลังงานความร้อนหลัก ที่มา: pxhere.

วิธีเดียวที่ร่างกายจะไม่ปล่อยรังสีความร้อนออกมาคือเพื่อให้อนุภาคของมันอยู่นิ่งสนิท ด้วยวิธีนี้อุณหภูมิจะเป็น 0 ในระดับเคลวิน แต่การลดอุณหภูมิของวัตถุจนถึงจุดดังกล่าวเป็นสิ่งที่ยังไม่บรรลุผล

คุณสมบัติการแผ่รังสีความร้อน

คุณสมบัติที่โดดเด่นที่ทำให้กลไกการถ่ายเทความร้อนนี้แตกต่างจากกลไกอื่นคือไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุตัวกลางในการผลิต ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์เช่นเดินทาง 150 ล้านกิโลเมตรผ่านอวกาศและมาถึงโลกอย่างต่อเนื่อง

มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทราบปริมาณพลังงานความร้อนต่อหนึ่งหน่วยเวลาที่วัตถุแผ่:

สมการนี้เรียกว่ากฎของ Stefan และปริมาณต่อไปนี้จะปรากฏขึ้น:

- พลังงานความร้อนต่อหน่วยเวลา P ซึ่งเรียกว่ากำลังไฟฟ้าและหน่วยของหน่วยในระบบหน่วยสากลคือวัตต์หรือวัตต์ (W)

- พื้นที่ผิวของวัตถุที่ปล่อยความร้อน A เป็นตารางเมตร

-A คงที่เรียกว่าสเตฟาน - Boltzman คงชี้แนะโดยσและมีค่าเป็น 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

- การแผ่รังสี (เรียกอีกอย่างว่าการเปล่งแสง) ของวัตถุและปริมาณที่ไม่มีมิติ (ไม่มีหน่วย) ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่ง เกี่ยวข้องกับลักษณะของวัสดุ: กระจกดังกล่าวมีการแผ่รังสีต่ำในขณะที่ตัวที่มืดมากมี การแผ่รังสีสูง

- และในที่สุดอุณหภูมิ T ในเคลวิน

ตัวอย่างของการแผ่รังสีความร้อน

ตามกฎของสเตฟานอัตราที่วัตถุแผ่พลังงานเป็นสัดส่วนกับพื้นที่การแผ่รังสีและกำลังที่สี่ของอุณหภูมิ

เนื่องจากอัตราการปล่อยพลังงานความร้อนขึ้นอยู่กับกำลังที่สี่ของ T จึงเห็นได้ชัดว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยจะมีผลอย่างมากต่อรังสีที่ปล่อยออกมา ตัวอย่างเช่นหากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าการแผ่รังสีจะเพิ่มขึ้น 16 เท่า

กรณีพิเศษของกฎของสเตฟานคือหม้อน้ำที่สมบูรณ์แบบซึ่งเป็นวัตถุทึบแสงที่เรียกว่าตัวสีดำซึ่งมีการแผ่รังสีเท่ากับ 1 ในกรณีนี้กฎของสเตฟานมีลักษณะดังนี้:

มันเกิดขึ้นที่กฎของ Stefan เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายคร่าวๆเกี่ยวกับการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุใด ๆ เนื่องจากถือว่าการแผ่รังสีเป็นค่าคงที่ การแผ่รังสีขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของรังสีที่ปล่อยออกมาผิวสำเร็จและปัจจัยอื่น ๆ

เมื่อพิจารณาว่า e เป็นค่าคงที่และกฎของ Stefan ถูกนำไปใช้ตามที่ระบุไว้ตอนต้นวัตถุนั้นจะเรียกว่าตัวสีเทา

ค่าการแผ่รังสีของสารบางชนิดที่ถือว่าเป็นตัวสีเทา ได้แก่

- อลูมิเนียมขัดเงา 0.05

- คาร์บอนดำ 0.95

- ผิวมนุษย์ทุกสี 0.97

- ไม้ 0.91

- น้ำแข็ง 0.92

- น้ำ 0.91

- ทองแดงระหว่าง 0.015 ถึง 0.025

- เหล็กระหว่าง 0.06 ถึง 0.25

รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์

ตัวอย่างที่จับต้องได้ของวัตถุที่ปล่อยรังสีความร้อนคือดวงอาทิตย์โดยประมาณว่าทุกๆวินาทีพลังงานประมาณ 1,370 J ในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะมาถึงโลกจากดวงอาทิตย์

ค่านี้เรียกว่าค่าคงที่ของแสงอาทิตย์และดาวเคราะห์แต่ละดวงมีหนึ่งอันซึ่งขึ้นอยู่กับระยะห่างเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์

รังสีนี้ตั้งฉากผ่านแต่ละม. ²ของชั้นบรรยากาศและมีการกระจายในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน

เกือบทั้งหมดมาในรูปของแสงที่มองเห็นได้ แต่ส่วนที่ดีมาจากรังสีอินฟราเรดซึ่งเป็นสิ่งที่เรารับรู้ได้อย่างแม่นยำว่าเป็นความร้อนและบางส่วนก็เป็นรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย เป็นพลังงานจำนวนมากเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของโลกเพื่อที่จะจับมันและใช้มันอย่างเหมาะสม

ในแง่ของความยาวคลื่นนี่คือช่วงที่พบรังสีดวงอาทิตย์ที่มาถึงโลก:

- อินฟราเรดสิ่งที่เรารับรู้ว่าเป็นความร้อน: 100 - 0.7 μm *

- แสงที่มองเห็นได้ระหว่าง 0.7 - 0.4 μm

- อัลตราไวโอเลตน้อยกว่า 0.4 m

* 1 μm = 1 ไมโครมิเตอร์หรือหนึ่งในล้านของเมตร

กฎของ Wien

ภาพด้านล่างแสดงการกระจายของรังสีมากกว่าความยาวคลื่นสำหรับอุณหภูมิต่างๆ การกระจายเป็นไปตามกฎการกระจัดของ Wien ตามความยาวคลื่นของรังสี_{สูงสุด} λ _maxแปรผกผันกับอุณหภูมิ T ในเคลวิน:

λ _{สูงสุด} T = 2.898 10 ⁻³ม

รูปที่ 2 กราฟของการแผ่รังสีเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่นสำหรับร่างกายสีดำ ที่มา: Wikimedia Commons

ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวประมาณ 5,700 K และแผ่รังสีเป็นหลักที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าอย่างที่เราเห็น เส้นโค้งที่ใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์มากที่สุดคือ 5,000 K เป็นสีน้ำเงินและแน่นอนว่ามีค่าสูงสุดในช่วงแสงที่มองเห็นได้ แต่ยังปล่อยรังสีอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลตเป็นส่วนที่ดี

การใช้รังสีความร้อน

พลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานจำนวนมากที่ดวงอาทิตย์แผ่ออกมาสามารถเก็บไว้ในอุปกรณ์ที่เรียกว่าตัวสะสมเพื่อเปลี่ยนรูปและใช้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ในภายหลัง

กล้องอินฟราเรด

เป็นกล้องที่ทำงานในย่านอินฟราเรดแทนที่จะอยู่ในแสงที่มองเห็นได้เหมือนกล้องทั่วไป พวกเขาใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าร่างกายทั้งหมดปล่อยรังสีความร้อนออกมาในระดับที่มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน

รูปที่ 3 ภาพสุนัขที่ถ่ายด้วยกล้องอินฟราเรด แต่เดิมพื้นที่ที่เบากว่าหมายถึงบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงสุด สีซึ่งถูกเพิ่มเข้าไปในระหว่างการประมวลผลเพื่อช่วยในการตีความแสดงอุณหภูมิที่แตกต่างกันในร่างกายของสัตว์ ที่มา: Wikimedia Commons

Pyrometry

หากอุณหภูมิสูงมากการวัดด้วยปรอทวัดอุณหภูมิไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุด สำหรับสิ่งนี้จึงเป็นที่ต้องการของไพโรมิเตอร์ซึ่งอุณหภูมิของวัตถุจะอนุมานได้เมื่อทราบถึงการเปล่งแสงเนื่องจากการปล่อยสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า

ดาราศาสตร์

สตาร์ไลท์จำลองได้เป็นอย่างดีโดยมีการประมาณร่างกายสีดำเช่นเดียวกับจักรวาลทั้งหมด และในส่วนของมันกฎของ Wien มักใช้ในทางดาราศาสตร์เพื่อกำหนดอุณหภูมิของดวงดาวตามความยาวคลื่นของแสงที่พวกมันเปล่งออกมา

อุตสาหกรรมการทหาร

ขีปนาวุธมุ่งเป้าไปที่เป้าหมายโดยใช้สัญญาณอินฟราเรดเพื่อตรวจจับบริเวณที่ร้อนที่สุดในเครื่องบินเช่นเครื่องยนต์เป็นต้น

อ้างอิง

1. Giambattista, A. 2010. ฟิสิกส์. ครั้งที่ 2 เอ็ด McGraw Hill
2. Gómez, E. การนำความร้อนและการแผ่รังสี สืบค้นจาก: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. การประยุกต์ใช้รังสีความร้อน กู้คืนจาก: www.ehu.eus.
4. หอดูดาว NASA Earth สภาพภูมิอากาศและงบประมาณด้านพลังงานของโลก สืบค้นจาก: earthobservatory.nasa.gov.
5. นาตาเฮเนา. การใช้ความร้อน สืบค้นจาก: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 1. 7th. Ed. Cengage Learning.