نقل الحرارة بالإشعاع: المفهوم ، الحساب

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 17:40

هنا سيجد القارئ معلومات عامة حول ماهية انتقال الحرارة ، وسينظر أيضًا بالتفصيل في ظاهرة انتقال الحرارة المشعة ، وطاعتها لقوانين معينة ، وخصائص العملية ، وصيغة الحرارة ، والاستخدام انتقال الحرارة من قبل الإنسان وتدفقها في الطبيعة

الدخول في التبادل الحراري

لفهم جوهر انتقال الحرارة بالإشعاع ، يجب أولاً فهم جوهره ومعرفة ما هو؟

نقل الحرارة هو تغيير في مؤشر الطاقة للنوع الداخلي بدون عمل على الشيء أو الموضوع ، وأيضاً بدون عمل يقوم به الجسم. تستمر هذه العملية دائمًا في اتجاه محدد ، أي: الحرارة تنتقل من جسم ذي مؤشر درجة حرارة أعلى إلى جسم ذي مؤشر أقل. عند الوصول إلى معادلة درجات الحرارة بين الأجسام ، تتوقف العملية ، وتتم بمساعدة التوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع.

1. التوصيل الحراري هو عملية نقل الطاقة الداخلية من جزء من الجسم إلى آخر أو بين الأجسام عند الاتصال.
2. الحمل الحراري هو انتقال الحرارة الناتج عننقل الطاقة مع تدفقات السائل أو الغاز.
3. الإشعاع كهرومغناطيسي بطبيعته ، ينبعث من الطاقة الداخلية لمادة في حالة درجة حرارة معينة.

تسمح لك الصيغة الحرارية بإجراء حسابات لتحديد كمية الطاقة المنقولة ، ومع ذلك ، فإن القيم المقاسة تعتمد على طبيعة العملية الجارية:

1. Q=cmΔt=cm (t₂- t_{1) - التدفئة والتبريد ؛}
2. Q=mλ - التبلور والذوبان
3. Q=mr - تكثيف البخار والغليان والتبخر ؛
4. Q=mq - احتراق الوقود.

العلاقة بين الجسم ودرجة الحرارة

لفهم ماهية انتقال الحرارة بالإشعاع ، تحتاج إلى معرفة القوانين الأساسية للفيزياء حول الأشعة تحت الحمراء. من المهم أن نتذكر أن أي جسم تزيد درجة حرارته عن الصفر بالقيمة المطلقة يشع دائمًا طاقة حرارية. يقع في طيف الأشعة تحت الحمراء للموجات ذات الطبيعة الكهرومغناطيسية.

ومع ذلك ، فإن الأجسام المختلفة ، التي لها نفس درجة الحرارة ، سيكون لها قدرة مختلفة على إصدار طاقة مشعة. ستعتمد هذه الخاصية على عوامل مختلفة مثل: بنية الجسم والطبيعة والشكل وحالة السطح. تشير طبيعة الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى الموجة الجسدية المزدوجة. مجال النوع الكهرومغناطيسي له طابع كمي ، ويتم تمثيل الكميات الخاصة به بالفوتونات. بالتفاعل مع الذرات ، يتم امتصاص الفوتونات وتحويل طاقتها إلى الإلكترونات ، ويختفي الفوتون. التقلب الحراري الأس للطاقةيزداد ذرة في جزيء. بمعنى آخر ، يتم تحويل الطاقة المشعة إلى حرارة.

تعتبر الطاقة المشعة هي الكمية الرئيسية ويشار إليها بعلامة W ، وتقاس بالجول (J). يعبر تدفق الإشعاع عن متوسط قيمة الطاقة على مدى فترة زمنية أكبر بكثير من فترات التذبذب (الطاقة المنبعثة خلال وحدة زمنية). يتم التعبير عن الوحدة المنبعثة من التيار بالجول في الثانية (J / s) ، ويعتبر الواط (W) الخيار المقبول عمومًا.

مقدمة في نقل الحرارة بالإشعاع

الآن المزيد عن هذه الظاهرة. انتقال الحرارة بالإشعاع هو تبادل الحرارة ، وهي عملية نقلها من جسم إلى آخر ، والتي لها مؤشر درجة حرارة مختلف. يحدث بمساعدة الأشعة تحت الحمراء. إنه كهرومغناطيسي ويقع في مناطق أطياف الموجات ذات الطبيعة الكهرومغناطيسية. نطاق الموجة يقع في النطاق من 0.77 إلى 340 ميكرومتر. النطاقات من 340 إلى 100 ميكرومتر تعتبر موجة طويلة ، 100-15 ميكرومتر تنتمي إلى نطاق الموجة المتوسطة ، والأطوال الموجية القصيرة من 15 إلى 0.77 ميكرومتر.

يقع جزء الموجة القصيرة من طيف الأشعة تحت الحمراء بجوار الضوء المرئي ، وتنتقل أجزاء الموجة الطويلة من الموجات إلى الموجة الراديوية فائقة القصر. تتميز الأشعة تحت الحمراء بالانتشار المستقيم ، فهي قادرة على الانكسار والانعكاس والاستقطاب. قادرة على اختراق مجموعة من المواد غير الشفافة للضوء المرئي.

بمعنى آخر ، يمكن وصف انتقال الحرارة بالإشعاع على أنه انتقالالحرارة على شكل طاقة موجة كهرومغناطيسية ، بينما تستمر العملية بين الأسطح التي هي في طور الإشعاع المتبادل.

يتم تحديد مؤشر الشدة من خلال الترتيب المتبادل للأسطح ، وقدرات الجسم على الانبعاث والامتصاص. يختلف انتقال الحرارة المشعة بين الأجسام عن عمليات الحمل الحراري والتوصيل الحراري ، حيث يمكن إرسال الحرارة عبر الفراغ. تشابه هذه الظاهرة مع غيرها يعود إلى انتقال الحرارة بين الأجسام ذات مؤشرات درجات الحرارة المختلفة.

تدفق الإشعاع

انتقال الحرارة المشعة بين الأجسام له عدد معين من تدفقات الإشعاع:

1. تدفق الإشعاع الداخلي - E ، والذي يعتمد على مؤشر درجة الحرارة T والخصائص البصرية للجسم.
2. تدفقات الإشعاع الساقط.
3. الأنواع الممتصة والمنعكسة والمرسلة لتدفقات الإشعاع. باختصار ، إنها تساوي E_pad.

البيئة التي يحدث فيها التبادل الحراري يمكن أن تمتص الإشعاع وتقدم الإشعاع الخاص بها.

يوصف التبادل الحراري المشع بين عدد معين من الأجسام بتدفق إشعاع فعال:

E_EF=E + E_OTR=E + (1-A) E_FAD.الأجسام ، عند أي درجة حرارة ، ذات المؤشرات L=1 ، R=0 و O=0 ، تسمى "سوداء تمامًا". ابتكر الإنسان مفهوم "الإشعاع الأسود". يتوافق مع مؤشرات درجة الحرارة الخاصة به لتوازن الجسم. يتم حساب الطاقة الإشعاعية المنبعثة باستخدام درجة حرارة الموضوع أو الجسم ، ولا تؤثر طبيعة الجسم في ذلك.

اتباع القوانينبولتزمان

أنشأ Ludwig Boltzmann ، الذي عاش على أراضي الإمبراطورية النمساوية في 1844-1906 ، قانون ستيفان بولتزمان. كان هو الذي سمح للشخص بفهم جوهر التبادل الحراري بشكل أفضل والعمل مع المعلومات ، وتحسينها على مر السنين. ضع في اعتبارك صياغته.

قانون Stefan-Boltzmann هو قانون متكامل يصف بعض ميزات الأجسام السوداء تمامًا. يسمح لك بتحديد اعتماد كثافة الطاقة الإشعاعية لجسم أسود على مؤشر درجة حرارته.

إطاعة القانون

تخضع قوانين انتقال الحرارة بالإشعاع لقانون ستيفان بولتزمان. يتناسب مستوى شدة انتقال الحرارة من خلال التوصيل الحراري والحمل الحراري مع درجة الحرارة. تتناسب الطاقة المشعة في التدفق الحراري مع درجة الحرارة إلى القوة الرابعة. يبدو كالتالي:

q=σ A (T₁⁴- T₂^4).

في الصيغة ، q هو تدفق الحرارة ، A هي مساحة سطح الجسم المشعة للطاقة ، T₁و T_{2 هي درجات الحرارة التي تنبعث منها الأجسام والبيئة التي تمتص هذا الإشعاع.}

يصف قانون الإشعاع الحراري أعلاه بالضبط الإشعاع المثالي الناتج عن جسم أسود تمامًا (a.h.t.). لا يوجد عمليا مثل هذه الجثث في الحياة. ومع ذلك ، فإن الأسطح السوداء المسطحة تقترب من A. إشعاع الأجسام الخفيفة ضعيف نسبيًا.

تم إدخال عامل انبعاث لمراعاة الانحراف عن المثالية العديدةكمية s.t. في المكون الصحيح من التعبير الذي يشرح قانون ستيفان بولتزمان. مؤشر الانبعاث يساوي قيمة أقل من واحد. يمكن للسطح الأسود المسطح أن يصل هذا المعامل إلى 0.98 ، بينما لن تتجاوز المرآة المعدنية 0.05. لذلك ، فإن الامتصاصيات عالية للأجسام السوداء ومنخفضة للأجسام المرآوية.

حول الجسم الرمادي

في نقل الحرارة ، غالبًا ما يتم ذكر مصطلح مثل الجسم الرمادي. هذا الجسم هو جسم له معامل امتصاص من النوع الطيفي للإشعاع الكهرومغناطيسي أقل من واحد ، وهو لا يعتمد على الطول الموجي (التردد).

انبعاث الحرارة هو نفسه وفقًا للتركيب الطيفي لإشعاع جسم أسود بنفس درجة الحرارة. يختلف الجسم الرمادي عن الجسم الأسود بمؤشر أقل لتوافق الطاقة. إلى مستوى السواد الطيفي لـ s.t. لا يتأثر الطول الموجي. في الضوء المرئي ، السخام والفحم ومسحوق البلاتين (أسود) قريبة من الجسم الرمادي.

مجالات تطبيق المعرفة بنقل الحرارة

انبعاث الحرارة يحدث باستمرار من حولنا. في المباني السكنية والمكتبية ، يمكنك غالبًا العثور على سخانات كهربائية تعمل في إشعاع حراري ، ونراها على شكل توهج لولبي محمر - هذه الحرارة تنتمي إلى المرئي ، "تقف" على حافة طيف الأشعة تحت الحمراء.

تسخين الغرفة ، في الواقع ، تعمل في مكون غير مرئي من الأشعة تحت الحمراء. جهاز الرؤية الليلية ينطبقمصدر للإشعاع الحراري وأجهزة استقبال حساسة للأشعة تحت الحمراء ، والتي تتيح لك التنقل بشكل جيد في الظلام.

طاقة الشمس

الشمس هي بحق أقوى باعث للطاقة في الطبيعة الحرارية. يسخن كوكبنا من مسافة مائة وخمسين مليون كيلومتر. تتوافق شدة الإشعاع الشمسي ، التي تم تسجيلها لسنوات عديدة ومن خلال محطات مختلفة تقع في أجزاء مختلفة من الأرض ، مع ما يقرب من 1.37 واط / م2.

إن طاقة الشمس هي مصدر الحياة على كوكب الأرض. في الوقت الحالي ، تنشغل عقول كثيرة بمحاولة إيجاد أكثر الطرق فعالية لاستخدامه. الآن نحن نعرف الألواح الشمسية التي يمكنها تدفئة المباني السكنية وتوفير الطاقة للاحتياجات اليومية.

في الختام

تلخيصًا ، يمكن للقارئ الآن تحديد انتقال الحرارة المشع. صِف هذه الظاهرة في الحياة والطبيعة. الطاقة المشعة هي السمة الرئيسية لموجة الطاقة المرسلة في مثل هذه الظاهرة ، وتوضح الصيغ المدرجة كيفية حسابها. في الوضع العام ، تخضع العملية نفسها لقانون Stefan-Boltzmann ويمكن أن يكون لها ثلاثة أشكال ، اعتمادًا على طبيعتها: تدفق الإشعاع الساقط ، والإشعاع من نوعه ، والانعكاس ، والامتصاص والانتقال.