TERMAL RADYASYON: ÖZELLIKLER, ÖRNEKLER, UYGULAMALAR - FIZIKSEL - 2025

Termal radyasyon , sıcaklığı ile bir gövdeden ve kızıl ötesi elektromanyetik spektrumun dalga boyu tarafından iletilen enerjidir. İstisnasız tüm vücutlar, sıcaklıkları ne kadar düşük olursa olsun, bir miktar kızılötesi radyasyon yayarlar.

Hızlandırılmış hareket halindeyken, elektrik yüklü parçacıklar salınım yapar ve kinetik enerjileri sayesinde sürekli olarak elektromanyetik dalgalar yayarlar.

Şekil 1. Aslında ısı enerjisinin ana kaynağı olan Güneş'ten gelen termal radyasyona çok aşinayız. Kaynak: Pxhere.

Bir cismin termal radyasyon yaymamasının tek yolu, parçacıklarının tamamen hareketsiz olmasıdır. Bu şekilde Kelvin ölçeğinde sıcaklığı 0 olur, ancak bir nesnenin sıcaklığını böyle bir noktaya düşürmek henüz başarılamamış bir şeydir.

Termal radyasyon özellikleri

Bu ısı transfer mekanizmasını diğerlerinden ayıran dikkate değer bir özellik, onu üretmek için malzeme ortamına ihtiyaç duymamasıdır. Böylelikle örneğin Güneş'in yaydığı enerji uzayda 150 milyon kilometre yol alarak sürekli Dünya'ya ulaşır.

Bir nesnenin yaydığı zaman birimi başına termal enerji miktarını bilmek için matematiksel bir model vardır:

Bu denklem Stefan yasası olarak bilinir ve aşağıdaki miktarlar görünür:

- Güç olarak bilinen ve Uluslararası Birim Sisteminde birimi watt veya watt (W) olan birim zaman P başına termal enerji .

-A ısısını yayan nesnenin metrekare cinsinden yüzey alanı .

-A olarak adlandırılan sabit Boltzmann sabiti - Stefan değeri 5,66963 X10'un, a ile gösterilir ve ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-The emisyon nesnesinin (ayrıca yayma gücü) ile, bunun değeri 0 ile 1 arasında olan bir boyutsuz miktarı (birimsiz) Bu malzemenin doğasına ilgilidir: çok koyu gövdenin ise bu gibi ayna, düşük emisyon gücü yüksek emisyon.

-Ve sonunda Kelvin'deki sıcaklık T.

Termal radyasyon örnekleri

Stefan'ın yasasına göre, bir nesnenin enerji yayma hızı, alan, yayma ve sıcaklığın dördüncü kuvveti ile orantılıdır.

Termal enerjinin emisyon oranı T'nin dördüncü kuvvetine bağlı olduğundan, sıcaklıktaki küçük değişikliklerin yayılan radyasyon üzerinde çok büyük bir etkisi olacağı açıktır. Örneğin sıcaklık iki katına çıkarsa radyasyon 16 kat artacaktır.

Stefan yasasının özel bir örneği, mükemmel yayıcıdır, siyah cisim olarak adlandırılan tamamen opak bir nesnedir ve yayma gücü tam olarak 1'dir. Bu durumda, Stefan'ın yasası şuna benzer:

Stefan'ın yasası, emisiviteyi bir sabit olarak kabul ettiği için herhangi bir nesnenin yaydığı radyasyonu kabaca tanımlayan matematiksel bir modeldir. Emisivite aslında yayılan radyasyonun dalga boyuna, yüzey bitimine ve diğer faktörlere bağlıdır.

E'nin sabit olduğu düşünüldüğünde ve Stefan'ın yasası başlangıçta belirtildiği gibi uygulandığında, nesneye gri gövde denir.

Gri gövde olarak işlem gören bazı maddeler için salım gücü değerleri şunlardır:

-Parlak alüminyum 0.05

-Siyah karbon 0.95

-Her renkteki insan derisi 0.97

-Ahşap 0.91

-Buz 0.92

Su 0,91

-0,015 ile 0,025 arası bakır

-0,06 ile 0,25 arası çelik

Güneşten gelen termal radyasyon

Termal radyasyon yayan nesnenin somut bir örneği Güneş'tir. Güneş'ten her saniye elektromanyetik radyasyon şeklinde yaklaşık 1.370 J enerjinin Dünya'ya ulaştığı tahmin edilmektedir.

Bu değer güneş sabiti olarak bilinir ve her gezegenin Güneş'e olan ortalama uzaklığına bağlı olarak bir tane vardır.

Bu radyasyon dikey her m geçer ² atmosfer katmanları ve farklı dalga boylarında dağıtılır.

Neredeyse tamamı görünür ışık biçiminde gelir, ancak iyi bir kısmı kızılötesi radyasyon olarak gelir, bu tam olarak ısı olarak algıladığımız şey ve bazıları da ultraviyole ışınları olarak. Onu yakalamak ve doğru kullanmak için gezegenin ihtiyaçlarını karşılamaya yetecek kadar büyük bir enerji miktarıdır.

Dalga boyu açısından bunlar, Dünya'ya ulaşan güneş radyasyonunun bulunduğu aralıklardır:

- Kızılötesi , ısı olarak algıladığımız şey: 100 - 0.7 μm *

- Görünür ışık , 0,7 - 0,4 μm arası

- Ultraviyole , 0,4 μm'den az

* 1 μm = 1 mikrometre veya metrenin milyonda biri.

Wien kanunu

Aşağıdaki görüntü, radyasyonun çeşitli sıcaklıklar için dalga boyu üzerindeki dağılımını göstermektedir. Dağılım, Wien'in yer değiştirme yasasına uyar; buna göre maksimum radyasyon _λmax , kelvin cinsinden sıcaklık T ile ters orantılıdır:

λ _maks T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Şekil 2. Siyah bir cisim için dalga boyunun bir fonksiyonu olarak radyasyon grafiği. Kaynak: Wikimedia Commons.

Güneş'in yüzey sıcaklığı yaklaşık 5.700 K'dir ve gördüğümüz gibi, öncelikle daha kısa dalga boylarında ışıma yapar. Güneş'inkine en çok yaklaşan eğri, mavi renkte 5000 K'lık eğri ve elbette görünür ışık aralığında maksimum değere sahiptir. Ama aynı zamanda kızılötesi ve ultraviyole de iyi bir rol yayar.

Termal radyasyon uygulamaları

Güneş enerjisi

Güneş'in yaydığı büyük miktardaki enerji, daha sonra onu dönüştürmek ve elektrik enerjisi olarak rahatlıkla kullanmak için kolektör adı verilen cihazlarda depolanabilir.

Kızılötesi kameralar

Adından da anlaşılacağı gibi, sıradan kameralar gibi görünür ışık yerine kızılötesi bölgede çalışan kameralardır. Tüm vücutların sıcaklıklarına bağlı olarak az ya da çok termal radyasyon yayması gerçeğinden yararlanırlar.

Şekil 3. Kızılötesi kamera ile çekilmiş bir köpeğin görüntüsü. Başlangıçta daha açık alanlar, en yüksek sıcaklığa sahip olanları temsil eder. Yorumlamayı kolaylaştırmak için işleme sırasında eklenen renkler, hayvanın vücudundaki farklı sıcaklıkları gösterir. Kaynak: Wikimedia Commons.

Pirometri

Sıcaklık çok yüksekse, bunları cıva termometresiyle ölçmek en iyi seçenek değildir. Bunun için, elektromanyetik bir sinyalin yayılması sayesinde, bir nesnenin sıcaklığının, yayılabilirliğini bilerek çıkarıldığı pirometreler tercih edilir.

Astronomi

Starlight, tüm evrenin yanı sıra siyah cisim yaklaşımı ile çok iyi modellenmiştir. Ve kendi payına, Wien yasası, yıldızların sıcaklığını yaydıkları ışığın dalga boyuna göre belirlemek için astronomide sıklıkla kullanılır.

Askeri sanayi

Füzeler, örneğin motorlar gibi uçaktaki en sıcak alanları tespit etmeye çalışan kızılötesi sinyalleri kullanarak hedefe nişan alıyor.

Referanslar

1. Giambattista, A. 2010. Fizik. 2. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. İletim, konveksiyon ve radyasyon. Eltamiz.com adresinden kurtarıldı.
3. González de Arrieta, I. Termal radyasyon uygulamaları. Kurtarıldı: www.ehu.eus.
4. NASA Dünya Gözlemevi. İklim ve Dünyanın Enerji Bütçesi. Earthobservatory.nasa.gov adresinden kurtarıldı.
5. Natahenao. Isı uygulamaları. Kurtarıldı: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Bilim ve Mühendislik Fiziği. Cilt 1. 7. Ed. Cengage Learning.