熱放射は、その温度で、赤外電磁スペクトルの波長によって体によって伝達されるエネルギーです。どんなに低い体温であっても、例外なくすべての体は赤外線を放出します。
それらが加速運動をしているとき、帯電した粒子は振動し、それらの運動エネルギーのおかげで、それらは継続的に電磁波を放出することが起こります。
図1.私たちは、太陽からの熱放射に非常に精通しています。太陽は、実際には主な熱エネルギー源です。出典：Pxhere。
体が熱放射を放出しない唯一の方法は、その粒子を完全に静止させることです。このようにして、ケルビンスケールでその温度は0になりますが、オブジェクトの温度をそのようなポイントまで下げることは、まだ達成されていません。
熱放射特性
この熱伝達メカニズムを他と区別する注目すべき特性は、それを生成するための材料媒体を必要としないことです。したがって、たとえば、太陽から放出されるエネルギーは、宇宙を1億5000万キロ移動し、継続的に地球に到達します。
オブジェクトが放射する単位時間あたりの熱エネルギー量を知るための数学モデルがあります。
この方程式はステファンの法則として知られており、次の数量が表示されます。
- 単位時間あたりの熱エネルギーP。これは電力と呼ばれ、国際単位系での単位はワットまたはワット（W）です。
- 熱Aを放出するオブジェクトの表面積（平方メートル）。
- ステファン-ボルツマン定数と呼ばれる定数。σで示され、その値は5.66963 x10 -8 W / m 2 K 4です。
- オブジェクトの放射率（エミッタンスとも呼ばれます）、および値が0から1の間の無次元量（単位なし）。これは、材料の性質に関連します。このようなミラーは放射率が低く、非常に暗いボディは高い放射率。
-そして最後にケルビンの温度 T。
熱放射の例
ステファンの法則によれば、オブジェクトがエネルギーを放射する速度は、面積、放射率、および温度の4乗に比例します。
熱エネルギーの放出率はTの4乗に依存するため、温度の小さな変化が放出される放射に大きな影響を与えることは明らかです。たとえば、温度が2倍になると、放射は16倍になります。
ステファンの法則の特別なケースは、放射体が正確に1である黒体と呼ばれる完全に不透明なオブジェクトである完全なラジエーターです。この場合、ステファンの法則は次のようになります。
ステファンの法則は、放射率を定数と見なすため、オブジェクトから放出される放射を大まかに表す数学モデルであることが起こります。放射率は、実際には放出される放射の波長、表面仕上げ、およびその他の要因に依存します。
eが定数と見なされ、最初に示したようにステファンの法則が適用される場合、オブジェクトは灰色のボディと呼ばれます。
灰色のボディとして扱われるいくつかの物質の放射率の値は次のとおりです：
-ポリッシュアルミニウム0.05
-ブラックカーボン0.95
-任意の色の人間の皮膚0.97
-ウッド0.91
-氷0.92
-水0.91
-0.015〜0.025の銅
-0.06〜0.25の鋼
太陽からの熱放射
熱放射を放出する物体の具体的な例は太陽であり、電磁放射の形で毎秒約1,370 Jのエネルギーが太陽から地球に到達すると推定されています。
この値は太陽定数として知られており、各惑星には太陽からの平均距離に依存する値があります。
この放射は、大気層の各m 2を垂直に通過し、異なる波長で分布します。
そのほとんどすべてが可視光の形で提供されますが、優れた部分は赤外線として提供されます。赤外線は正確に私たちが熱として認識しているものであり、一部は紫外線としても知られています。地球のニーズを満たし、適切に利用するためには、それは十分な量のエネルギーです。
波長に関して、これらは地球に到達する日射が見つかる範囲です：
- 赤外線、熱として認識されるもの：100-0.7μm*
- 可視光、0.7〜0.4μm
- 紫外線、0.4μm未満
* 1μm= 1マイクロメートルまたは100万分の1メートル。
ウィーンの法則
下の画像は、さまざまな温度での波長に対する放射の分布を示しています。分布は、最大放射の波長λmaxがケルビンの温度Tに反比例するというウィーンの変位の法則に従います。
λ 最大 = 2.898 T。10 -3 m⋅K
図2.黒体の波長の関数としての放射のグラフ。出典：ウィキメディア・コモンズ。
太陽の表面温度は約5,700 Kで、これまで見てきたように、主に短波長で放射します。太陽の曲線に最も近い曲線は5000 Kの曲線であり、青色で表示されます。もちろん、可視光の範囲で最大になります。しかし、それはまた、赤外線と紫外線でかなりの部分を放出します。
熱放射の応用
太陽光エネルギー
太陽が放射する大量のエネルギーは、コレクターと呼ばれるデバイスに保存でき、後で変換して電気エネルギーとして便利に使用できます。
赤外線カメラ
それらは、その名前が示すように、一般的なカメラのように、可視光ではなく赤外線領域で動作するカメラです。彼らはすべての体が彼らの温度に応じて多かれ少なかれ熱放射を放出するという事実を利用します。
図3.赤外線カメラで撮影した犬の画像。もともと明るい領域は、温度が最も高い領域を表しています。解釈を容易にするために処理中に追加される色は、動物の体のさまざまな温度を示します。出典：ウィキメディア・コモンズ。
パイロメトリー
温度が非常に高い場合、水銀温度計で測定することは最良の選択肢ではありません。このため、電磁信号の放射により、放射率を把握して物体の温度を推定する高温計が推奨されます。
天文学
スターライトは、宇宙全体だけでなく、黒体近似で非常によくモデル化されています。そして、その一部として、星の温度を決定するために、それらが放出する光の波長に従って天文学でウィーンの法則が頻繁に使用されます。
軍事産業
ミサイルは、たとえばエンジンなどの航空機の最も高温の領域を検出しようとする赤外線信号を使用してターゲットを狙っています。
参考文献
- Giambattista、A。2010。物理学。2番目。Ed。McGraw Hill。
- ゴメス、E。伝導、対流および放射。から回復：eltamiz.com。
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- 科学と工学のためのセルウェイ、R。物理学。第1巻。Ed。Cengage Learning。