Stralingswarmteoverdracht (met voorbeelden)

De Warmteoverdracht door straling Het bestaat uit energiestroom door elektromagnetische golven. Omdat deze golven door het vacuüm kunnen bewegen met de snelheid van het licht, kunnen ze ook warmte overbrengen.

Elektromagnetische golven hebben een continue golflengten, genaamd spectrum En dat gaat van de langere en minder energiegolflengten tot de kortste en met meer energie.

Onder hen is infraroodstraling, een band in de buurt van de zichtbare golflengtestrook, maar eronder. Op deze manier bereiken grote hoeveelheden warmte van de zon de aarde, die miljoenen kilometers oversteken.

Maar niet alleen gloeilampen zoals zon stoten warmte uit in de vorm van straling, in werkelijkheid doet elk object het continu, alleen wanneer de temperatuur laag is, de golflengte is groot en daarom is energie, wat omgekeerd evenredig is, klein.

[TOC]

Hoe wordt warmte overgedragen door straling?

Brandende kolen verzenden warmte door straling

De elektronen trillen, uitstoten elektromagnetische golven. Als de golven lage frequentie zijn, is het gelijk aan te zeggen dat hun golflengte lang is en de golfbeweging langzaam is, daarom heeft het weinig energie. Maar als de frequentie toeneemt, beweegt de golf sneller en heeft meer energie.

Een object met wat temperatuur T Zendt regelmatig straling uit F, zodat T En F Ze zijn evenredig. En omdat elektromagnetische golven geen materiaalmedium nodig hebben om te verspreiden, kunnen infraroodfotonen, die verantwoordelijk zijn voor het verspreiden van straling, worden verplaatst zonder een nietig probleem.

Dit is hoe de straling van de zon aankomt op de aarde en de andere planeten. Met de afstand worden de golven echter verzwakt en neemt de hoeveelheid warmte af.

Kan u van dienst zijn: vertaalbalans: voorwaarden, voorbeelden, oefeningen

Stefan's wet en de wet van Wien

De Stefan wet stelt dat de macht zou kunnen⁴, Volgens de uitdrukking:

P =NAARσeT⁴

In internationale systeemeenheden komt stroom in Watts (W) en de temperatuur in Kelvin (K). In deze vergelijking is A het oppervlak van het object, σ Het is Stefan's Constant - Boltzman, die 5 waard is.66963 x10^-8 W/m² K⁴,

Eindelijk is E de Emisiviteit  of Probleem van het object, een numerieke waarde zonder eenheden, tussen 0 en 1. De waarde wordt gegeven volgens het materiaal, omdat de zeer donkere lichamen een hoge emissiviteit hebben, precies het tegenovergestelde van een spiegel.

Stralingsbronnen, zoals de gloeidraad van een bol of de zon, straal straling uit in vele golflengten. De zon bevindt zich bijna allemaal in het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum.

Tussen de maximale golflengte λ_Maximaal En de emitter T -temperatuur is een relatie gegeven door de wet van Wien:

λ_Maximaal ∙ T = 2.898 . 10 ⁻³ M⋅K

De straling van een zwart lichaam

De volgende figuur toont energieemissiekrommen, afhankelijk van de temperatuur in Kelvin, voor een ideaal object dat alle straling absorbeert die het beïnvloedt en op zijn beurt een perfecte emitter is. Dit object wordt aangeroepen Zwart lichaam.

Golflengteverdeling voor verschillende temperaturen. Bron: Wikimedia Commons.

De ruimtes tussen de kolen van de sintels in een oven, gedragen zich als ideale stralingsemitters, van het type zwarte lichaam, met voldoende nadering. Er zijn talloze experimenten gedaan om de verschillende temperatuurcurves en hun respectieve golflengteverdelingen te bepalen.

Zoals te zien is, is lager bij een hogere temperatuur de golflengte, hoe groter de frequentie en straling meer energie heeft.

Ervan uitgaande dat de zon zich gedraagt ​​als een zwart lichaam, tussen de in de figuur getoonde krommen, degene die het dichtst bij de temperatuur van het zonnevoer is, is die van 5500 K. De piek wordt gevonden in de golflengte van 500 nm (nanometers).

Het kan u van dienst zijn: convectiewarmteoverdracht (met voorbeelden)

De temperatuur van de zonneoppervlak is ongeveer 5700 K. Van de wet van Wien:

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

Dit resultaat is ongeveer consistent met die waargenomen in de afbeeldingen. Deze golflengte behoort tot het zichtbare gebied van het spectrum, maar moet worden benadrukt dat alleen de distributiepiek vertegenwoordigt. Eigenlijk straalt de zon het grootste deel van zijn energie uit tussen de infraroodgolflengten, het zichtbare spectrum en de ultraviolet.

Voorbeelden warmteoverdracht door straling

Alle objecten, zonder uitzondering, stoten een vorm van warmte uit door straling, maar sommige zijn veel opmerkelijkere emitters:

Elektrische keukens, broodroosters en elektrische verwarming

De keuken is een goede plek om de warmteoverdrachtsmechanismen te bestuderen, bijvoorbeeld de straling kan worden gezien die (zorgvuldig) de hand nadert naar het elektrische broodje dat schijnt met oranje gloed. Of ook naar de roosters van een grill om te roosteren.

De resistieve elementen van de kachel, de broodroosters en de elektrische ovens worden ook verwarmd en verwerven een oranje gloed, die ook warmte overdragen door straling.

Gloeilampen

De gloeidraad van de gloeilampen bereikt hoge temperaturen, tussen 1200 en 2500 ºC, waardoor energie wordt verdeeld in infraroodstraling (de meeste) en zichtbaar licht, oranje of geel.

Zon

De zon brengt warmte over door straling naar de aarde, door de ruimte die hen scheidt. Straling is in feite het belangrijkste warmteoverdrachtsmechanisme in bijna alle sterren, hoewel anderen, zoals convectie, ook een belangrijke rol spelen.

Kan u van dienst zijn: lineaire golven: concept, kenmerken, voorbeelden

De energiebron in de zon is de thermonucleaire fusiereactor in de kern, die grote hoeveelheden energie vrijgeeft door de omzetting van waterstof in helium. Een groot deel van die energie is in zichtbaar licht, maar zoals eerder uitgelegd, zijn de golflengten van de ultraviolet en infrarood ook belangrijk.

De aarde

Planet Aarde is ook een stralingsemitter, hoewel het geen reactor in het midden heeft, zoals de zon.

Terrestrische emissies zijn te wijten aan het radioactieve verval van verschillende mineralen binnen, zoals uranium en radio. Dat is de reden waarom de binnenkant van de diepe mijnen altijd heet is, hoewel deze thermische energie een lagere frequentie is dan de zon die wordt uitgezonden.

Aangezien de atmosfeer van de aarde selectief is met de verschillende golflengten, bereikt de warmte van de zon het oppervlak zonder probleem, omdat de atmosfeer de belangrijkste frequenties laat passeren.

De atmosfeer is echter ondoorzichtig vóór lagere energie -infraroodstraling, zoals die op aarde worden geproduceerd als gevolg van natuurlijke oorzaken en door menselijke hand. Met andere woorden, het laat het niet buiten ontsnappen en draagt ​​daarom bij aan de opwarming van de aarde van de planeet.

Referenties

1. Giambattista, een. 2010. Natuurkunde. 2e. ED. McGraw Hill.
2. Giancoli, D.  2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Conceptuele fysieke wetenschap. 5e. ED. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e. ED. Deel 1. Pearson.
5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Natuurkunde voor wetenschap en engineering. Deel 1. 7e. ED. Cengage leren.
6. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill.