Що таке теплове випромінювання
Ніколи не замислювалися, як сонячне тепло передається на Землю? Навряд чи розглянуті раніше способи передачі тепла за допомогою конвекції та теплопровідності працюватимуть у космосі, адже там вакуум і молекул настільки мало, що передавати енергію вони фізично не можуть.
Сонячна енергія досягає Землі завдяки тепловому випромінюванню. Сонце є величезною природною “лампочкою”, розігрітою до температури 6000 К яка знаходиться від нас на відстані 150 млн. км. Саме завдяки тепловому випромінюванню частина сонячного тепла досягає поверхні нашої планети і живить енергією всі живі організми.
Теплову енергію випромінюють абсолютно всі фізичні тіла, якщо їхня температура не дорівнює 0 К, чого досягти практично неможливо. Нюанс полягає в тому, що за своєю суттю теплове випромінювання є електромагнітними коливаннями. Електромагнітні хвилі утворюються внаслідок прискорення та уповільнення електричних зарядів, що відбувається на молекулярному рівні у процесі нагрівання (охолодження) фізичних тіл. Наприклад, робота приладів нічного бачення полягає в тому, що живі істоти, включаючи людину, випромінюють електромагнітні хвилі в інфрачервоному спектрі, невидимі людському оку, але реєстровані апаратурою.
У природі всі фізичні тіла випромінюють теплову енергію у всіх напрямках. Якщо два (або кілька) фізичних тіл випромінюють теплову енергію з однаковою інтенсивністю, кажуть, що вони мають однакову температуру. Якщо довкілля випромінює менше енергії, ніж людина, ми відчуваємо холод і навпаки.
Коли фізичне тіло розігрівається до температури 1000 К, воно починає випромінювати у видимому червоному спектрі (наприклад, рідкий метал). У міру подальшого нагрівання світіння тіла зміщуватиметься до фіолетової частини спектру (більш високочастотної), і далі до білої (1700 К).
Принцип теплового випромінювання використовується, наприклад, в нагрівачах променистого опалення. Елементи таких нагрівачів монтуються в стелях, стінах, підлогах і зігрівають приміщення.
У випадку, якщо тіло поглинає 100% світла, що падає на нього, воно називається абсолютно чорним тілом. Його антиподом є абсолютно біле (дзеркальне) тіло, яке не поглинає теплової енергії взагалі (0%).
Всі інші фізичні тіла знаходяться між чорним і білим тілом, поглинаючи якусь частину світу, а решту – відбиваючи в навколишній простір.
Формула розрахунку випромінюваної теплової енергії
За аналогією з конвекцією та теплопровідністю виведемо формулу для розрахунку випромінюваної теплової енергії тіла.
- Q ∝ t – кількість теплового випромінювання Q пропорційно часу випромінювання t (що більше час теплового випромінювання, тим більше нагрівається тіло).
- Q ∝ А – кількість переданої теплової енергії Q пропорційно загальної площі А з якої відбувається випромінювання.
- Q ∝ Т4 – кількість переданої теплової енергії Q пропорційно температурі Т в четвертому ступені (встановлено експериментально).
- σ=5,67·10-8 Дж(с·м2·K4) – постійна Стефана-Больцмана (справедлива лише для абсолютно чорних тіл).
- е – випромінювальна (емісійна) здатність тіла (унікальна характеристика конкретного тіла).
Загальна формула розрахунку випромінюваної теплової енергії тіла матиме вигляд:
