Εδώ ο αναγνώστης θα βρει γενικές πληροφορίες για το τι είναι μεταφορά θερμότητας και θα εξετάσει επίσης λεπτομερώς το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας, την υπακοή της σε ορισμένους νόμους, τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας, τον τύπο της θερμότητας, τη χρήση της μεταφοράς θερμότητας από τον άνθρωπο και της ροής της στη φύση.
Είσοδος στην ανταλλαγή θερμότητας
Για να κατανοήσετε την ουσία της ακτινοβολούμενης μεταφοράς θερμότητας, πρέπει πρώτα να κατανοήσετε την ουσία της και να ξέρετε τι είναι;
Μεταφορά θερμότητας είναι μια αλλαγή στον ενεργειακό δείκτη του εσωτερικού τύπου χωρίς εργασία στο αντικείμενο ή το θέμα, καθώς και χωρίς εργασία από το σώμα. Μια τέτοια διαδικασία προχωρά πάντα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, δηλαδή: η θερμότητα περνά από ένα σώμα με υψηλότερο δείκτη θερμοκρασίας σε ένα σώμα με χαμηλότερο. Με την εξίσωση των θερμοκρασιών μεταξύ των σωμάτων, η διαδικασία σταματά και πραγματοποιείται με τη βοήθεια αγωγιμότητας θερμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας.
- Θερμική αγωγιμότητα είναι η διαδικασία μεταφοράς εσωτερικής ενέργειας από ένα θραύσμα σώματος σε άλλο ή μεταξύ σωμάτων όταν έρχονται σε επαφή.
- Η μεταφορά είναι η μεταφορά θερμότητας που προκύπτει απόμεταφορά ενέργειας μαζί με ροές υγρών ή αερίων.
- Η ακτινοβολία είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης, που εκπέμπεται λόγω της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας που βρίσκεται σε κατάσταση ορισμένης θερμοκρασίας.
Ο τύπος θερμότητας σάς επιτρέπει να κάνετε υπολογισμούς για τον προσδιορισμό της ποσότητας ενέργειας που μεταφέρεται, ωστόσο, οι μετρούμενες τιμές εξαρτώνται από τη φύση της συνεχιζόμενης διαδικασίας:
- Q=cmΔt=cm(t2 – t1) – θέρμανση και ψύξη;
- Q=mλ – κρυστάλλωση και τήξη;
- Q=mr - συμπύκνωση ατμού, βρασμός και εξάτμιση;
- Q=mq – καύση καυσίμου.
Σχέση σώματος και θερμοκρασίας
Για να κατανοήσετε τι είναι η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία, πρέπει να γνωρίζετε τους βασικούς νόμους της φυσικής σχετικά με την υπέρυθρη ακτινοβολία. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι κάθε σώμα του οποίου η θερμοκρασία είναι πάνω από το μηδέν σε απόλυτες τιμές ακτινοβολεί πάντα θερμική ενέργεια. Βρίσκεται στο υπέρυθρο φάσμα κυμάτων ηλεκτρομαγνητικής φύσης.
Ωστόσο, διαφορετικά σώματα, που έχουν την ίδια θερμοκρασία, θα έχουν διαφορετική ικανότητα να εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας. Αυτό το χαρακτηριστικό θα εξαρτηθεί από διάφορους παράγοντες όπως: δομή σώματος, φύση, σχήμα και κατάσταση επιφάνειας. Η φύση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αναφέρεται στο διπλό, σωματιδιακό κύμα. Το πεδίο του ηλεκτρομαγνητικού τύπου έχει κβαντικό χαρακτήρα και τα κβάντα του αντιπροσωπεύονται από φωτόνια. Αλληλεπιδρώντας με τα άτομα, τα φωτόνια απορροφώνται και μεταφέρουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια, το φωτόνιο εξαφανίζεται. Θερμική διακύμανση εκθέτη ενέργειαςάτομο σε ένα μόριο αυξάνεται. Με άλλα λόγια, η ακτινοβολούμενη ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα.
Η ακτινοβολούμενη ενέργεια θεωρείται το κύριο μέγεθος και συμβολίζεται με το πρόσημο W, μετρούμενο σε τζάουλ (J). Η ροή ακτινοβολίας εκφράζει τη μέση τιμή ισχύος σε μια χρονική περίοδο που είναι πολύ μεγαλύτερη από τις περιόδους των ταλαντώσεων (η ενέργεια που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια μιας μονάδας χρόνου). Η μονάδα που εκπέμπεται από το ρεύμα εκφράζεται σε τζάουλ ανά δευτερόλεπτο (J / s), το watt (W) θεωρείται η γενικά αποδεκτή επιλογή.
Εισαγωγή στη μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία
Τώρα περισσότερα για το φαινόμενο. Η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι η ανταλλαγή θερμότητας, η διαδικασία μεταφοράς της από το ένα σώμα στο άλλο, το οποίο έχει διαφορετικό δείκτη θερμοκρασίας. Εμφανίζεται με τη βοήθεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Είναι ηλεκτρομαγνητικό και βρίσκεται στις περιοχές των φασμάτων κυμάτων ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Το εύρος κυμάτων κυμαίνεται από 0,77 έως 340 μm. Οι περιοχές από 340 έως 100 μm θεωρούνται μακροκύμα, 100 - 15 μm ανήκουν στο εύρος μεσαίου κύματος και μικρά μήκη κύματος από 15 έως 0,77 μm.
Το τμήμα βραχέων κυμάτων του υπέρυθρου φάσματος είναι δίπλα στο ορατό φως και τα τμήματα μακρών κυμάτων των κυμάτων πηγαίνουν στο υπερμικρό ραδιοκύμα. Η υπέρυθρη ακτινοβολία χαρακτηρίζεται από ευθύγραμμη διάδοση, είναι σε θέση να διαθλά, να ανακλά και να πολώνει. Δυνατότητα διείσδυσης σε μια σειρά υλικών που είναι αδιαφανή στο ορατό φως.
Με άλλα λόγια, η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μπορεί να χαρακτηριστεί ως μεταφοράθερμότητα με τη μορφή ενέργειας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, ενώ η διαδικασία προχωρά μεταξύ επιφανειών που βρίσκονται σε διαδικασία αμοιβαίας ακτινοβολίας.
Ο δείκτης έντασης καθορίζεται από την αμοιβαία διάταξη των επιφανειών, τις εκπεμπόμενες και απορροφητικές ικανότητες των σωμάτων. Η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μεταξύ των σωμάτων διαφέρει από τις διαδικασίες συναγωγής και αγωγιμότητας θερμότητας στο ότι η θερμότητα μπορεί να αποσταλεί μέσω κενού. Η ομοιότητα αυτού του φαινομένου με άλλα οφείλεται στη μεταφορά θερμότητας μεταξύ σωμάτων με διαφορετικούς δείκτες θερμοκρασίας.
Ροή ακτινοβολίας
Η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μεταξύ των σωμάτων έχει ορισμένο αριθμό ροών ακτινοβολίας:
- Η εγγενής ροή ακτινοβολίας - E, η οποία εξαρτάται από τον δείκτη θερμοκρασίας T και τα οπτικά χαρακτηριστικά του σώματος.
- Ροές προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
- Απορροφούμενοι, ανακλώμενοι και μεταδιδόμενοι τύποι ροών ακτινοβολίας. Συνολικά, ισούται με Epad.
Το περιβάλλον στο οποίο λαμβάνει χώρα η ανταλλαγή θερμότητας μπορεί να απορροφήσει ακτινοβολία και να εισαγάγει τη δική του.
Η ανταλλαγή ακτινοβολίας μεταξύ ενός συγκεκριμένου αριθμού σωμάτων περιγράφεται από μια αποτελεσματική ροή ακτινοβολίας:
EEF=E+EOTR=E+(1-A)EFAD. Τα σώματα, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, με δείκτες L=1, R=0 και O=0, ονομάζονται «απόλυτα μαύρα». Ο άνθρωπος δημιούργησε την έννοια της «μαύρης ακτινοβολίας». Αντιστοιχεί με τους δείκτες θερμοκρασίας του στην ισορροπία του σώματος. Η εκπεμπόμενη ενέργεια ακτινοβολίας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία του θέματος ή του αντικειμένου, η φύση του σώματος δεν επηρεάζει αυτό.
Ακολουθώντας τους νόμουςBoltzmann
Ludwig Boltzmann, ο οποίος έζησε στο έδαφος της Αυστριακής Αυτοκρατορίας το 1844-1906, δημιούργησε το νόμο Stefan-Boltzmann. Ήταν αυτός που επέτρεψε σε ένα άτομο να κατανοήσει καλύτερα την ουσία της ανταλλαγής θερμότητας και να λειτουργήσει με πληροφορίες, βελτιώνοντάς τις με τα χρόνια. Σκεφτείτε τη διατύπωσή του.
Ο νόμος Stefan-Boltzmann είναι ένας αναπόσπαστος νόμος που περιγράφει ορισμένα χαρακτηριστικά των απολύτως μαύρων σωμάτων. Σας επιτρέπει να προσδιορίσετε την εξάρτηση της πυκνότητας ισχύος ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος από τον δείκτη θερμοκρασίας του.
Τήρηση του νόμου
Οι νόμοι της ακτινοβολούμενης μεταφοράς θερμότητας υπακούουν στο νόμο Stefan-Boltzmann. Το επίπεδο της έντασης της μεταφοράς θερμότητας μέσω της αγωγιμότητας και της μεταφοράς θερμότητας είναι ανάλογο της θερμοκρασίας. Η ενέργεια ακτινοβολίας στη ροή θερμότητας είναι ανάλογη της θερμοκρασίας προς την τέταρτη ισχύ. Μοιάζει με αυτό:
q=σ A (T14 – T2 4).
Στον τύπο, q είναι η ροή θερμότητας, A είναι η επιφάνεια του σώματος που ακτινοβολεί ενέργεια, T1 και T2 είναι οι θερμοκρασίες που εκπέμπουν τα σώματα και το περιβάλλον που απορροφά αυτή την ακτινοβολία.
Ο παραπάνω νόμος της θερμικής ακτινοβολίας περιγράφει ακριβώς μόνο την ιδανική ακτινοβολία που δημιουργείται από ένα απολύτως μαύρο σώμα (a.h.t.). Πρακτικά δεν υπάρχουν τέτοια σώματα στη ζωή. Ωστόσο, επίπεδες μαύρες επιφάνειες προσεγγίζουν το Α. Χ. Τ. Η ακτινοβολία από ελαφριά σώματα είναι σχετικά ασθενής.
Υπάρχει ένας παράγοντας εκπομπής για να ληφθεί υπόψη η απόκλιση από την ιδεατότητα πολλώνποσό σ.τ. στο σωστό συστατικό της έκφρασης που εξηγεί τον νόμο Stefan-Boltzmann. Ο δείκτης εκπομπής είναι ίσος με τιμή μικρότερη από ένα. Μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια μπορεί να φέρει αυτόν τον συντελεστή στο 0,98, ενώ ένας μεταλλικός καθρέφτης δεν θα ξεπεράσει το 0,05. Επομένως, οι απορροφήσεις είναι υψηλές για τα μαύρα σώματα και χαμηλές για τα κατοπτρικά σώματα.
Σχετικά με το γκρι σώμα (s.t.)
Στη μεταφορά θερμότητας, συχνά αναφέρεται ένας τέτοιος όρος ως γκρι σώμα. Αυτό το αντικείμενο είναι ένα σώμα που έχει συντελεστή απορρόφησης φασματικού τύπου ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μικρότερο από ένα, ο οποίος δεν βασίζεται στο μήκος κύματος (συχνότητα).
Η εκπομπή θερμότητας είναι η ίδια σύμφωνα με τη φασματική σύνθεση της ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος με την ίδια θερμοκρασία. Ένα γκρι σώμα διαφέρει από ένα μαύρο σε χαμηλότερο δείκτη ενεργειακής συμβατότητας. Στο επίπεδο φασματικής μαυρίλας του s.t. το μήκος κύματος δεν επηρεάζεται. Στο ορατό φως, η αιθάλη, ο άνθρακας και η σκόνη πλατίνας (μαύρη) βρίσκονται κοντά στο γκρι σώμα.
Πεδία εφαρμογής γνώσεων μεταφοράς θερμότητας
Η εκπομπή θερμότητας συμβαίνει συνεχώς γύρω μας. Σε χώρους κατοικιών και γραφείων, μπορείτε συχνά να βρείτε ηλεκτρικές θερμάστρες που ασχολούνται με ακτινοβολία θερμότητας και το βλέπουμε με τη μορφή μιας κοκκινωπής λάμψης μιας σπείρας - τέτοια θερμότητα ανήκει στο ορατό, «στέκεται» στην άκρη του υπέρυθρο φάσμα.
Η θέρμανση του δωματίου, στην πραγματικότητα, εμπλέκεται σε ένα αόρατο στοιχείο της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ισχύει συσκευή νυχτερινής όρασηςμια πηγή θερμικής ακτινοβολίας και δέκτες ευαίσθητοι στην υπέρυθρη ακτινοβολία, που σας επιτρέπουν να πλοηγείστε καλά στο σκοτάδι.
Ηλιακή ενέργεια
Ο ήλιος είναι δικαίως ο πιο ισχυρός εκπομπός ενέργειας θερμικής φύσης. Θερμαίνει τον πλανήτη μας από απόσταση εκατόν πενήντα εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία έχει καταγραφεί εδώ και πολλά χρόνια και από διάφορους σταθμούς που βρίσκονται σε διάφορα μέρη της γης, αντιστοιχεί περίπου σε 1,37 W/m2.
Είναι η ενέργεια του ήλιου που είναι η πηγή ζωής στον πλανήτη Γη. Επί του παρόντος, πολλά μυαλά είναι απασχολημένα προσπαθώντας να βρουν τον πιο αποτελεσματικό τρόπο χρήσης του. Τώρα γνωρίζουμε ηλιακούς συλλέκτες που μπορούν να θερμάνουν κτίρια κατοικιών και να παρέχουν ενέργεια για τις καθημερινές ανάγκες.
Κλείσιμο
Συνοψίζοντας, ο αναγνώστης μπορεί τώρα να ορίσει τη μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας. Περιγράψτε αυτό το φαινόμενο στη ζωή και τη φύση. Η ενέργεια ακτινοβολίας είναι το κύριο χαρακτηριστικό του μεταδιδόμενου ενεργειακού κύματος σε ένα τέτοιο φαινόμενο και οι παρατιθέμενοι τύποι δείχνουν πώς να το υπολογίσετε. Στη γενική θέση, η ίδια η διαδικασία υπακούει στο νόμο Stefan-Boltzmann και μπορεί να έχει τρεις μορφές, ανάλογα με τη φύση της: τη ροή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, ακτινοβολία του δικού της τύπου και ανακλώμενη, απορροφούμενη και μεταδιδόμενη.
