Strålningsvärmeöverföring (med exempel)

De Värmeöverföring med strålning Det består av energiflödet genom elektromagnetiska vågor. Eftersom dessa vågor kan röra sig genom vakuumet med ljusets hastighet kan de också överföra värme.

Elektromagnetiska vågor har en kontinuerlig våglängder, kallad spektrum Och det går från de längre och mindre energifåglängderna, till kortast och med större energi.

Bland dem är infraröd strålning, ett band nära den synliga våglängdsremsan, men under den. På detta sätt når stora mängder värme från solen jorden och korsar miljoner kilometer.

Men inte bara glödande föremål som solen släpper ut värme i form av strålning, i verkligheten är något objekt kontinuerligt, bara när temperaturen är låg, våglängden är stor och därför energi, som är omvänt proportionell mot den, är liten.

[TOC]

Hur överförs värme av strålning?

Brinnande kol överför värme genom strålning

Elektronerna vibrerar, avger elektromagnetiska vågor. Om vågorna är lågfrekvens motsvarar det att säga att deras våglängd är lång och vågrörelsen är långsam, därför har den liten energi. Men om frekvensen ökar rör sig vågen snabbare och har mer energi.

Ett objekt med viss temperatur T avger strålning ofta F, så att T och F De är proportionella. Och eftersom elektromagnetiska vågor inte behöver ett materiellt medium för att spridas, kan infraröda fotoner, som är ansvariga för att sprida strålning, flyttas utan tomrumsproblem.

Så här kommer solens strålning till jorden och de andra planeterna. Men med avståndet dämpas vågorna och mängden värme minskar.

Kan tjäna dig: Översättningsbalans: Förhållanden, exempel, övningar

Stefans lag och Wiens lag

De Stefanlag säger att makten kunde⁴, Enligt uttrycket:

P =TILLσeT⁴

I internationella systemenheter kommer kraften i Watts (W) och temperaturen i Kelvin (K). I denna ekvation är A ytan för objektet, σ Det är Stefan's Constant - Boltzman, som är värt 5.66963 x10^-8 W/m² K⁴,

Äntligen är E Emisivitet  antingen Problem av objektet, ett numeriskt värde utan enheter, mellan 0 och 1. Värdet ges enligt materialet, eftersom de mycket mörka kropparna har hög emissivitet, tvärtom av en spegel.

Strålningskällor, såsom en glödlampa eller solen, avger strålning i många våglängder. Solen är nästan alla i det synliga området i det elektromagnetiska spektrumet.

Mellan den maximala våglängden λ_Max Och emittertemperaturen är en relation som ges av Wiens lag:

λ_Max ∙ t = 2.898 . 10 ⁻³ M⋅k

Strålning av en svart kropp

Följande figur visar energiutsläppskurvor beroende på temperaturen i Kelvin, för ett idealiskt objekt som absorberar all strålning som påverkar den och i sin tur är en perfekt emitter. Detta objekt kallas Svart kropp.

Våglängdsfördelning för olika temperaturer. Källa: Wikimedia Commons.

Utrymmen mellan glödarna i glödarna i en ugn, beter sig som idealiska strålningsutsläpp, av typen av svart kropp, med tillräckligt med tillvägagångssätt. Många experiment har gjorts för att bestämma de olika temperaturkurvorna och deras respektive våglängdsfördelningar.

Som man kan se, vid en högre temperatur, är lägre våglängden, desto större är frekvensen och strålningen mer energi.

Antagande att solen uppför sig som en svart kropp, bland kurvorna som visas i figur. Dess topp finns i våglängden 500 nm (nanometrar).

Det kan tjäna dig: konvektionsvärmeöverföring (med exempel)

Solytemperaturen är ungefär 5700 K. Av Wiens lag:

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

Detta resultat överensstämmer ungefär med det som observerats i grafiken. Denna våglängd tillhör det synliga området i spektrumet, måste det emellertid betonas att endast distributionstoppen representerar. Egentligen strålar solen det mesta av sin energi mellan de infraröda våglängderna, det synliga spektrumet och det ultravioletta.

Exempel värmeöverföring med strålning

Alla föremål, utan undantag, avger någon form av värme genom strålning, men vissa är mycket mer anmärkningsvärda utsläpp:

Elektriska kök, brödrost och elektrisk uppvärmning

Köket är ett bra ställe att studera värmeöverföringsmekanismerna, till exempel kan strålningen ses närma sig (försiktigt) handen till den elektriska bulle som lyser med orange glöd. Eller också till grillerna i en grill att steka.

De resistiva elementen i värmaren, brödrostarna och de elektriska uggarna värms också upp och förvärvar en orange glöd, som också överför värme genom strålning.

Glödlampa

Filamentet för glödlamporna når höga temperaturer, mellan 1200 och 2500 ºC, och avger energi fördelad i infraröd strålning (mest) och synligt ljus, orange eller gul.

Sol

Solen överför värme genom strålning till jorden, genom utrymmet som skiljer dem. I själva verket är strålning den viktigaste värmeöverföringsmekanismen i nästan alla stjärnor, även om andra, som konvektion, också spelar en viktig roll.

Kan tjäna dig: linjära vågor: koncept, egenskaper, exempel

Energikällan inuti solen är den termonukleära fusionsreaktorn i kärnan, som frigör stora mängder energi genom omvandling av väte till helium. En bra del av den energin är i synligt ljus, men som tidigare förklarats är våglängderna för ultraviolet och infraröd också viktiga.

Jorden

Planet Earth är också en strålningsemitter, även om den inte har en reaktor i centrum, till exempel solen.

Terrestriska utsläpp beror på det radioaktiva förfallet av olika mineraler inuti, till exempel uran och radio. Det är därför insidan av de djupa gruvorna alltid är het, även om denna termiska energi är en lägre frekvens än den solen släpps ut.

Eftersom jordens atmosfär är selektiv med de olika våglängderna, når solens värme ytan utan problem, eftersom atmosfären låter de stora frekvenserna passera.

Men atmosfären är ogenomskinlig innan lägre energi infraröd strålning, såsom den som produceras på jorden på grund av naturliga orsaker och av mänsklig hand. Med andra ord, det låter inte fly utanför och bidrar därför till den globala uppvärmningen av planeten.

Referenser

1. Giambattista, a. 2010. Fysik. 2: a. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, D.  2006. Fysik: Principer med applikationer. Sjätte. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Konceptuell fysisk vetenskap. Femte. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14th. Ed. Volym 1. Pearson.
5. Serway, R., Jewett, J. 2008. Fysik för vetenskap och teknik. Volym 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
6. Tippens, s. 2011. Fysik: koncept och applikationer. Sjunde upplagan. McGraw Hill.