Transfer de căldură prin radiații (cu exemple)

transfer de căldură prin radiații Se compune din fluxul de energie prin unde electromagnetice. Deoarece aceste unde se pot deplasa prin vid cu viteza luminii, ele pot transmite și căldură.

Undele electromagnetice au un întreg continuum de lungimi de undă, numite spectru și asta merge de la cele mai lungi și mai puțin energice lungimi de undă, la cele mai scurte și mai energice.

Printre acestea se numără radiațiile infraroșii, o bandă apropiată de banda vizibilă de lungime de undă sau lumină, dar sub ea. În acest fel, cantități mari de căldură de la Soare ajung pe Pământ, traversând milioane de kilometri.

Dar nu numai obiectele cu incandescență precum Soarele emit căldură sub formă de radiații, de fapt orice obiect o face continuu, doar că atunci când temperatura este scăzută, lungimea de undă este mare și, prin urmare, energia, care este invers proporțională cu aceasta, este mic.

Indice articol

• 1 Cum se transmite căldura prin radiații?
  • 1.1 Legea lui Ștefan și Legea lui Wien
• 2 Exemple de transfer de căldură prin radiații
  • 2.1 Plite electrice, prăjitoare de pâine și încălzitoare electrice
  • 2.2 Becuri incandescente
  • 2.3 Soarele
  • 2.4 Pământul
• 3 Referințe

Cum se transmite căldura prin radiații?

Când electronii vibrează, ei emit unde electromagnetice. Dacă undele sunt de joasă frecvență, este echivalent cu a spune că lungimea lor de undă este lungă și că mișcarea undei este lentă, prin urmare are puțină energie. Dar dacă frecvența crește, valul se mișcă mai repede și are mai multă energie.

Un obiect cu o anumită temperatură T emite frecvent radiații F, astfel încât T Da F sunt proporționale. Și întrucât undele electromagnetice nu au nevoie de un mediu material pentru a se propaga, fotonii infraroșii, responsabili de propagarea radiației, se pot mișca fără probleme în vid..

Așa ajunge radiația de la Soare la Pământ și la celelalte planete. Cu toate acestea, cu distanța valurile se atenuează și cantitatea de căldură scade.

Legea lui Ștefan și Legea lui Wien

legea lui stefan afirmă că puterea radiată P (la toate lungimile de undă) este proporțională cu T⁴, conform expresiei:

P =LAσeT⁴

În unitățile sistemului internațional, puterea este în wați (W) și temperatura în kelvin (K). În această ecuație, A este suprafața obiectului, σ este constanta Stefan-Boltzman, care este 5.66963 x10^-8 L / m^Două K⁴,

În cele din urmă e este emisivitate  sau emisie obiectului, o valoare numerică fără unități, între 0 și 1. Valoarea este dată în funcție de material, deoarece corpurile foarte întunecate au emisivitate ridicată, opusul unei oglinzi.

Sursele de radiații, cum ar fi filamentul unui bec sau Soarele, emit radiații în multe lungimi de undă. Cel al Soarelui este aproape în întregime în regiunea vizibilă a spectrului electromagnetic.

Între lungimea de undă maximă λ_max iar temperatura T a emițătorului există o relație dată de legea lui Wien:

λ_max ∙ T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Radiații de la un corp negru

Următoarea figură arată curbele emisiilor de energie în funcție de temperatura în kelvin, pentru un obiect ideal care absoarbe toată radiația care îl lovește și este la rândul său un emițător perfect. Acest obiect se numește corp negru.

Spațiile dintre cărbunii tăciunilor într-un cuptor se comportă ca emițători ideali de radiații, de tipul corpului negru, cu o aproximare destul de apropiată. S-au făcut numeroase experimente pentru a determina diferitele curbe de temperatură și distribuția lor respectivă a lungimii de undă..

După cum se poate vedea, cu cât temperatura este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică, cu atât frecvența este mai mare și radiația are mai multă energie..

Presupunând că Soarele se comportă ca un corp negru, printre curbele prezentate în figură, cea mai apropiată de temperatura suprafeței solare este de 5500 K. Vârful său este la lungimea de undă de 500 nm (nanometri).

Temperatura suprafeței solare este de aproximativ 5700 K. Din legea lui Wien:

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

Acest rezultat este în concordanță cu cel observat în grafic. Această lungime de undă aparține regiunii vizibile a spectrului, cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că reprezintă doar vârful distribuției. În realitate, Soarele își radiază cea mai mare parte a energiei între lungimile de undă în infraroșu, spectrul vizibil și ultraviolet..

Exemple de transfer de căldură prin radiații

Toate obiectele, fără excepție, emit o anumită formă de căldură prin radiații, cu toate acestea, unele sunt emițători mult mai notabili:

Plite electrice, prăjitoare de pâine și încălzitoare electrice

Bucătăria este un loc bun pentru a studia mecanismele de transfer de căldură, de exemplu radiațiile se văd prin apropierea (cu atenție) a mâinii de pe arzătorul electric care luminează portocaliu. Sau, de asemenea, la jarul unui grătar la grătar.

Elementele rezistive din încălzitoarele electrice, prăjitoarele de pâine și cuptoarele devin, de asemenea, fierbinți și strălucesc portocalii, transmitând, de asemenea, căldură radiațională..

Becuri incandescente

Filamentul becurilor cu incandescență atinge temperaturi ridicate, între 1200 și 2500 ºC, emițând energie distribuită în radiații infraroșii (cea mai mare parte) și lumină vizibilă, portocalie sau galbenă..

Soare

Soarele transmite căldura prin radiații către Pământ, prin spațiul care le separă. De fapt, radiația este cel mai important mecanism de transfer de căldură în aproape toate stelele, deși altele, cum ar fi convecția, joacă, de asemenea, un rol important..

Sursa de energie din interiorul Soarelui este reactorul de fuziune termonucleară din miez, care eliberează cantități mari de energie prin conversia hidrogenului în heliu. O mare parte din această energie este sub formă de lumină vizibilă, dar, după cum sa explicat anterior, lungimile de undă ultraviolete și infraroșii sunt, de asemenea, importante..

Pământul

Planeta Pământ este, de asemenea, un emițător de radiații, deși nu are un reactor în centrul său, precum Soarele..

Emisiile Pământului se datorează degradării radioactive a diferitelor minerale din interiorul său, cum ar fi uraniul și radiul. De aceea interiorul minelor adânci este întotdeauna fierbinte, deși această energie termică are o frecvență mai mică decât cea emisă de Soare.

Deoarece atmosfera Pământului este selectivă cu lungimi de undă diferite, căldura Soarelui ajunge fără probleme la suprafață, deoarece atmosfera permite trecerea unor frecvențe mai mari..

Cu toate acestea, atmosfera este opacă pentru radiațiile infraroșii cu energie inferioară, cum ar fi cea produsă pe Pământ de cauze naturale și de mâinile omului. Cu alte cuvinte, nu-l lasă să scape spre exterior și, prin urmare, contribuie la încălzirea globală a planetei..

Referințe

1. Giambattista, A. 2010. Fizică. Al 2-lea. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Fizică: principii cu aplicații. Al 6-lea. Ed prentice hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Științe fizice conceptuale. Al 5-lea. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizică universitară cu fizică modernă. 14. Ed. Volumul 1. Pearson.
5. Serway, R., Jewett, J. 2008. Fizica pentru știință și inginerie. Volumul 1. 7. Ed. Cengage Learning.
6. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. Dealul Mcgraw.