Випромінювання: передача тепла і довжина хвилі

Розгляньте швидкість передачі тепла при випромінюванні за законом Стефана-Больцмана. Вивчіть поняття чорного тіла, випромінювальної здатності, електромагнітної хвилі.

випромінювання – передача тепла за допомогою електромагнітної енергії.

завдання навчання

  • Пояснити, як енергія електромагнітного випромінювання відповідає довжині хвилі.

Основні пункти

  • На енергію електромагнітного випромінювання впливає довжина хвилі. Помітні зміни в широкому діапазоні: менша довжина відповідає більш високої енергії.
  • Всі об’єкти випромінюють і поглинають електромагнітну енергію. Колір грунтується на здатності до випромінювання або ефективності випромінює енергії. Максимальна ефективність у чорного, а найменша у білого (1 і 0).
  • Ідеальні тіло випромінювання називають чорним.

Швидкість передачі тепла при випромінюванні обчислюється законом випромінювання Стефана-Больцмана:

Q / t = ?AT4, де ? = 5.67 ? 10-8 Дж?с-1?м-2?K-4 – постійна Стефана-Больцмана, A – площа поверхні об’єкта, а T – абсолютна температура в кельвінах.

  • Чистий швидкість передачі тепла пов’язана з температурним показником тіла і оточення. Чим сильніше різниця, тим вище чистий тепловий потік.
  • Температура тіла має неабияке значення, так як випромінювання виступає пропорційним цій величині в четвертого ступеня.

терміни

  • Чорне тіло – теоретичний об’єкт, апроксимувати дірою в порожнистої чорної сфері, здатний поглинути все потрапляють електромагнітні промені і не відображає їх. Володіє особливим спектром випромінювання.
  • Випромінювальна здатність – схильність поверхні до створення променів. Обчислюється на певній довжині хвилі.

випромінювання

Якщо ви перебуваєте біля вогню або стоїте під Сонцем, то можете відчути теплопередачу. Однак, сам простір між нашою планетою і зіркою пусте, а значить позбавлене конвекції або провідності. Тут тепло передається через випромінювання.

Гаряче тіло створює електромагнітні хвилі, що поглинаються нашої шкірою. Для такого «контакту” не потрібне середовище. Залежно від довжини ми називаємо їх радіохвилями, мікрохвилями, інфрачервоними променями, видимим світлом, ультрафіолетовими променями, рентгенівськими і гамма.

Велика передача тепла здійснюється через інфрачервоні промені. Видиме світло передає лише невелику частину теплової енергії. Конвекція бере участь у міру підйому гарячого повітря, а провідність навпаки практично незначна. Шкіра чутлива і швидко реагує на інфрачервоне випромінювання, тому можна відчувати вогонь, не торкаючись до полум’я

Енергія електромагнітного випромінювання грунтується на довжині хвилі, і змінюється в широкому діапазоні: менша довжина відповідає більш високою енергії. Це виглядає так:

E = HF = hc / ? (E – енергія, f – частота, ? – довжина хвилі, h – Постійна).

При більш високих температурах випромінюється більший обсяг тепла. Наприклад, електричний елемент може міняти колір від червоного до помаранчевого. В основному ви відчуваєте інфрачервоне випромінювання, яке за показниками нижче температури.

Випромінювана енергія залежить від інтенсивності, представленої висотою розподілу.

(А) – Графік спектрів електромагнітних хвиль, створюваних ідеальним джерелом при трьох температурних показниках. Інтенсивність (швидкість випромінювання) збільшується разом з температурою, а спектр зміщується в бік видимої (заштрихована) і ультрафіолетової частин спектра. Перехід до ультрафіолету призводить до того, що видиме світло з червоного стає білим і синім. (b) – Зміни кольору відповідають зміни температури

теплопередача

Всі тіла вбирають або відтворюють електромагнітні промені. Швидкість визначається за кольором об’єкта. Максимальна ефективність належить чорному, а мінімальна, – білому. Ви могли помітити, що в спеку люди намагаються уникати темної одягу.

Ідеальний джерело випромінювання називають чорним тілом. Воно вбирає всі вступники промені. На протилежному кінці діапазону – білий (відображає промені як дзеркало).

Є зв’язок між температурою чорного тіла і довжиною хвилі. Це закон зміщення Віна:

?max T = b (де b – постійна, прирівнюється до 2.9 ? 10-3 м?K).

У сірих тел однорідна здатність поглинати всі частини електромагнітного спектра. Кольорові об’єкти поводяться схоже, але процес виглядає набагато складніше. Можна згадати про поглинання шкірою інфрачервоних променів.

Хороші і погані джерела випромінювання

Темне тіло – відмінно поглинає і випромінює, а ось білий – поганий в обох випадках. Швидкість тепловіддачі визначається за законом Стефана-Больцмана:

Q / t = ?eAT4 (? = 5.67 ? 10-8 Дж з-1?м-2?K-4 – постійна Стефана-Больцмана, A – площа поверхні об’єкта, а T – абсолютна температура в кельвінах). Символ е позначає радіаційну здатність об’єкта. У чорного тіла е = 1, а у ідеального відбивача е = 0. Реальні об’єкти потрапляють між цими двома значеннями. Наприклад, у ниток вольфрамових ламп е = 0.5, а у сажі – 0.99.

Швидкість випромінювання виступає прямо пропорційною четвертого ступеня абсолютної температури. Крім того, що випромінюється тепло пропорційно площі поверхні тіла. Якщо розворушити жар, то полум’я спалахне з новою силою, тому що ви вплинули на площу.

Чистий швидкість теплопередачі

Чистий швидкість теплопередачі грунтується на температурі тіла і його навколишнього середовища. Припустимо, що об’єкт з температурою Т1 оточений середовищем з однорідною Т2. Тоді чиста швидкість:

, де е – яку випромінює здатність об’єкта

Ссылка на основную публикацию