BỨC XẠ NHIỆT: TÍNH CHẤT, VÍ DỤ, ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Các bức xạ nhiệt là năng lượng truyền qua một cơ thể với nhiệt độ của nó và bởi bước sóng của quang phổ điện từ hồng ngoại. Tất cả các vật thể không có ngoại lệ đều phát ra một số bức xạ hồng ngoại, bất kể nhiệt độ của chúng thấp đến mức nào.

Xảy ra khi chúng chuyển động có gia tốc, các hạt mang điện dao động và nhờ động năng của chúng, chúng liên tục phát ra sóng điện từ.

Hình 1. Chúng ta đã rất quen thuộc với bức xạ nhiệt đến từ Mặt trời, thực chất là nguồn năng lượng nhiệt chính. Nguồn: Pxhere.

Cách duy nhất để một cơ thể không phát ra bức xạ nhiệt là để các hạt của nó hoàn toàn ở trạng thái nghỉ ngơi. Theo cách này, nhiệt độ của nó sẽ bằng 0 trên thang Kelvin, nhưng việc giảm nhiệt độ của một vật đến một điểm như vậy là điều chưa đạt được.

Tính chất bức xạ nhiệt

Một đặc tính đáng chú ý giúp phân biệt cơ chế truyền nhiệt này với các cơ chế khác là nó không cần môi trường vật chất để tạo ra nó. Vì vậy, năng lượng do Mặt trời phát ra, ví dụ, di chuyển 150 triệu km trong không gian và đến Trái đất liên tục.

Có một mô hình toán học để biết lượng nhiệt năng trong một đơn vị thời gian mà một vật tỏa ra:

Phương trình này được gọi là định luật Stefan và các đại lượng sau xuất hiện:

- Năng lượng nhiệt trên một đơn vị thời gian P, được gọi là công suất và có đơn vị trong Hệ đơn vị quốc tế là oát hoặc oát (W).

-Diện tích bề mặt của vật tỏa nhiệt A, tính bằng mét vuông.

-Một hằng số, được gọi là Stefan - hằng số Boltzman , ký hiệu là σ và có giá trị là 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

- Độ phát xạ (còn gọi là độ phóng xạ) của vật thể e, một đại lượng không thứ nguyên (không có đơn vị) có giá trị từ 0 đến 1. Nó liên quan đến bản chất của vật liệu: ví dụ một chiếc gương có độ phát xạ thấp, trong khi một vật rất tối có độ phát xạ cao.

-Và cuối cùng là nhiệt độ T tính bằng kelvin.

Ví dụ về bức xạ nhiệt

Theo định luật Stefan, tốc độ một vật thể bức xạ năng lượng tỷ lệ với diện tích, độ phát xạ và lũy thừa thứ tư của nhiệt độ.

Vì tốc độ phát xạ nhiệt năng phụ thuộc vào lũy thừa bậc 4 của T, rõ ràng là những thay đổi nhỏ của nhiệt độ sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến bức xạ phát ra. Ví dụ, nếu nhiệt độ tăng gấp đôi, bức xạ sẽ tăng lên 16 lần.

Một trường hợp đặc biệt của định luật Stefan là bộ tản nhiệt hoàn hảo, một vật thể hoàn toàn không trong suốt được gọi là vật đen, có độ phát xạ chính xác là 1. Trong trường hợp này, định luật Stefan trông như sau:

Điều xảy ra là định luật Stefan là một mô hình toán học mô tả gần đúng bức xạ được phát ra bởi bất kỳ vật thể nào, vì nó coi độ phát xạ là một hằng số. Sự phát xạ thực sự phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ phát ra, bề mặt hoàn thiện và các yếu tố khác.

Khi e được coi là không đổi và định luật Stefan được áp dụng như đã chỉ ra ở phần đầu, thì vật thể được gọi là vật thể xám.

Giá trị độ phát xạ đối với một số chất được coi là chất xám là:

- Nhôm đánh bóng 0,05

-Các bon đen 0,95

- Da người bất kỳ màu nào 0,97

- Gỗ 0,91

-Chỉ 0,92

-Nước 0,91

-Copper từ 0,015 đến 0,025

-Steel từ 0,06 đến 0,25

Bức xạ nhiệt từ Mặt trời

Một ví dụ hữu hình về một vật thể phát ra bức xạ nhiệt là Mặt trời. Người ta ước tính rằng cứ mỗi giây, có khoảng 1.370 J năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ đến Trái đất từ ​​Mặt trời.

Giá trị này được gọi là hằng số Mặt trời và mỗi hành tinh có một, giá trị này phụ thuộc vào khoảng cách trung bình của nó từ Mặt trời.

Bức xạ này theo phương vuông góc đi qua mỗi m ² lớp khí quyển và phân bố theo các bước sóng khác nhau.

Hầu như tất cả chúng đều ở dạng ánh sáng nhìn thấy, nhưng một phần tốt là bức xạ hồng ngoại, chính xác là thứ mà chúng ta cảm nhận được là nhiệt, và một số còn là tia cực tím. Đó là một lượng lớn năng lượng đủ để đáp ứng nhu cầu của hành tinh, để nắm bắt và sử dụng nó một cách hợp lý.

Về bước sóng, đây là những phạm vi mà bức xạ mặt trời chiếu tới Trái đất được tìm thấy:

- Hồng ngoại , những gì chúng ta cảm nhận là nhiệt: 100 - 0,7 μm *

- Ánh sáng nhìn thấy được , trong khoảng 0,7 - 0,4 μm

- Tia cực tím , nhỏ hơn 0,4 μm

* 1 μm = 1 micromet hoặc một phần triệu mét.

Định luật Wien

Hình ảnh dưới đây cho thấy sự phân bố của bức xạ theo bước sóng ở các nhiệt độ khác nhau. Sự phân bố tuân theo định luật dịch chuyển Wien, theo đó bước sóng của bức xạ cực đại λ _max tỉ lệ nghịch với nhiệt độ T tính bằng kelvin:

λ _max T = 2,898. 10 ⁻³ m⋅K

Hình 2. Đồ thị của bức xạ như một hàm của bước sóng đối với vật đen. Nguồn: Wikimedia Commons.

Mặt trời có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5.700 K và bức xạ chủ yếu ở bước sóng ngắn hơn, như chúng ta đã thấy. Đường cong gần gần đúng nhất với Mặt trời là 5000 K, màu xanh lam và tất nhiên có cực đại trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy. Nhưng nó cũng phát ra một phần tốt tia hồng ngoại và tia cực tím.

Ứng dụng của bức xạ nhiệt

Năng lượng mặt trời

Một lượng lớn năng lượng mà Mặt trời tỏa ra có thể được lưu trữ trong các thiết bị gọi là bộ thu, để sau này biến đổi nó và sử dụng nó một cách thuận tiện làm năng lượng điện.

Máy ảnh hồng ngoại

Chúng là những camera, như tên gọi của chúng, hoạt động trong vùng hồng ngoại thay vì trong vùng ánh sáng nhìn thấy như các camera thông thường. Họ lợi dụng thực tế là tất cả các vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy thuộc vào nhiệt độ của chúng.

Hình 3. Hình ảnh một chú chó được camera hồng ngoại chụp lại. Ban đầu các khu vực nhẹ hơn đại diện cho những khu vực có nhiệt độ cao nhất. Màu sắc, được thêm vào trong quá trình chế biến để dễ giải thích, cho thấy nhiệt độ khác nhau trong cơ thể động vật. Nguồn: Wikimedia Commons.

Pyrometry

Nếu nhiệt độ rất cao, đo nhiệt độ bằng nhiệt kế thủy ngân không phải là lựa chọn tốt nhất. Vì vậy, nhiệt kế được ưa thích hơn, qua đó nhiệt độ của một vật thể được suy ra khi biết độ phát xạ của nó, nhờ vào sự phát ra tín hiệu điện từ.

Thiên văn học

Starlight được mô hình hóa rất tốt với sự xấp xỉ vật thể đen, cũng như toàn bộ vũ trụ. Và về phần mình, định luật Wien thường xuyên được sử dụng trong thiên văn học để xác định nhiệt độ của các ngôi sao, theo bước sóng của ánh sáng mà chúng phát ra.

Ngành quân sự

Các tên lửa nhắm vào mục tiêu bằng cách sử dụng tín hiệu hồng ngoại nhằm phát hiện các khu vực nóng nhất trên máy bay, chẳng hạn như động cơ.

Người giới thiệu

1. Giambattista, A. 2010. Vật lý. lần 2. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Dẫn điện, đối lưu và bức xạ. Được khôi phục từ: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Các ứng dụng của bức xạ nhiệt. Được khôi phục từ: www.ehu.eus.
4. Đài quan sát Trái đất của NASA. Khí hậu và Ngân sách Năng lượng của Trái đất. Được khôi phục từ: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Các ứng dụng nhiệt. Được khôi phục từ: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 1. Thứ 7. Ed. Cengage Learning.