WARMTESTRALING: EIGENSCHAPPEN, VOORBEELDEN, TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2026

De thermische straling is de energie die wordt uitgezonden door een lichaam met zijn temperatuur en door de golflengten van het infrarood elektromagnetische spectrum. Alle lichamen zonder uitzondering zenden wat infrarode straling uit, hoe laag hun temperatuur ook is.

Het komt voor dat wanneer ze in een versnelde beweging zijn, elektrisch geladen deeltjes oscilleren en dankzij hun kinetische energie continu elektromagnetische golven uitzenden.

Figuur 1. We zijn goed bekend met de warmtestraling die afkomstig is van de zon, die in feite de belangrijkste bron van warmte-energie is. Bron: Pxhere.

De enige manier waarop een lichaam geen warmtestraling afgeeft, is dat de deeltjes volledig in rust zijn. Op deze manier zou zijn temperatuur 0 zijn op de Kelvin-schaal, maar de temperatuur van een object verlagen tot zo'n punt is iets dat nog niet is bereikt.

Thermische stralingseigenschappen

Een opmerkelijke eigenschap die dit warmteoverdrachtsmechanisme van anderen onderscheidt, is dat het geen materiaalmedium nodig heeft om het te produceren. Zo reist de energie die bijvoorbeeld door de zon wordt uitgezonden, 150 miljoen kilometer door de ruimte en bereikt continu de aarde.

Er is een wiskundig model om de hoeveelheid thermische energie per tijdseenheid te kennen die een object uitstraalt:

Deze vergelijking staat bekend als de wet van Stefan en de volgende grootheden verschijnen:

- Thermische energie per tijdseenheid P, die bekend staat als vermogen en waarvan de eenheid in het internationale systeem van eenheden de watt of watt (W) is.

-Het oppervlak van het object dat warmte A afgeeft, in vierkante meters.

-Een constante, genaamd Stefan-Boltzman-constante , aangegeven met σ en waarvan de waarde 5,66963 x10 ^-8 W / m ² K ^{4 is} ,

-De emissiviteit (ook wel emissie genoemd) van het object en, een dimensieloze hoeveelheid (unitless) waarvan de waarde tussen 0 en 1 ligt. Het is gerelateerd aan de aard van het materiaal: zo'n spiegel heeft een lage emissiviteit, terwijl een heel donker lichaam heeft hoge emissiviteit.

- En als laatste de temperatuur T in Kelvin.

Voorbeelden van thermische straling

Volgens de wet van Stefan is de snelheid waarmee een object energie uitstraalt evenredig met het oppervlak, het stralingsvermogen en de vierde macht van de temperatuur.

Aangezien de snelheid waarmee thermische energie wordt uitgezonden afhangt van de vierde macht van T, is het duidelijk dat kleine temperatuurveranderingen een enorm effect zullen hebben op de uitgezonden straling. Als de temperatuur bijvoorbeeld verdubbelt, neemt de straling 16 keer toe.

Een speciaal geval van de wet van Stefan is de perfecte radiator, een volledig ondoorzichtig object dat een zwart lichaam wordt genoemd en waarvan de emissiviteit precies 1 is. In dit geval ziet de wet van Stefan er als volgt uit:

Het komt voor dat de wet van Stefan een wiskundig model is dat grofweg de straling beschrijft die door een object wordt uitgezonden, aangezien het emissievermogen als een constante beschouwt. Emissiviteit hangt eigenlijk af van de golflengte van de uitgezonden straling, de oppervlakteafwerking en andere factoren.

Als e als constant wordt beschouwd en de wet van Stefan wordt toegepast zoals aan het begin is aangegeven, wordt het object een grijs lichaam genoemd.

De emissiviteitswaarden voor sommige stoffen die als grijs lichaam worden behandeld, zijn:

-Gepolijst aluminium 0,05

-Zwarte koolstof 0,95

-Menselijke huid van elke kleur 0.97

-Hout 0.91

-IJs 0.92

-Water 0.91

-Koper tussen 0,015 en 0,025

-Staal tussen 0,06 en 0,25

Thermische straling van de zon

Een tastbaar voorbeeld van een object dat thermische straling uitzendt, is de zon. Er wordt geschat dat elke seconde ongeveer 1.370 J aan energie in de vorm van elektromagnetische straling de aarde bereikt vanaf de zon.

Deze waarde staat bekend als de zonneconstante en elke planeet heeft er een, die afhangt van de gemiddelde afstand tot de zon.

Deze straling kruist loodrecht elke m ² van de atmosferische lagen en wordt verdeeld over verschillende golflengten.

Bijna alles komt in de vorm van zichtbaar licht, maar een groot deel komt als infrarode straling, en dat is precies wat we waarnemen als warmte, en sommige ook als ultraviolette straling. Het is een grote hoeveelheid energie die genoeg is om aan de behoeften van de planeet te voldoen, om deze op te vangen en op de juiste manier te gebruiken.

In termen van golflengte zijn dit de bereiken waarbinnen de zonnestraling die de aarde bereikt, wordt gevonden:

- Infrarood , wat we waarnemen als warmte: 100 - 0,7 μm *

- Zichtbaar licht , tussen 0,7 - 0,4 μm

- Ultraviolet , minder dan 0,4 μm

* 1 μm = 1 micrometer of een miljoenste van een meter.

De wet van Wien

Onderstaande afbeelding toont de verdeling van straling over golflengte voor verschillende temperaturen. De verdeling voldoet aan de verplaatsingswet van Wien, volgens welke de golflengte van de maximale straling λ _max omgekeerd evenredig is met de temperatuur T in kelvin:

λ _max T = 2.898. 10 ^-3 m⋅K

Figuur 2. Grafiek van straling als functie van golflengte voor een zwart lichaam. Bron: Wikimedia Commons.

De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 5700 K en straalt, zoals we hebben gezien, voornamelijk bij kortere golflengten. De curve die die van de zon het dichtst benadert, is die van 5000 K, in blauw en heeft natuurlijk het maximum in het bereik van zichtbaar licht. Maar het zendt ook een groot deel uit in infrarood en ultraviolet.

Toepassingen van thermische straling

Zonne energie

De grote hoeveelheid energie die de zon uitstraalt, kan worden opgeslagen in apparaten die collectoren worden genoemd, om deze later om te zetten en gemakkelijk als elektrische energie te gebruiken.

Infraroodcamera's

Het zijn camera's die, zoals hun naam al doet vermoeden, werken in het infraroodgebied in plaats van in zichtbaar licht, zoals gewone camera's. Ze profiteren van het feit dat alle lichamen, afhankelijk van hun temperatuur, in meer of mindere mate warmtestraling uitzenden.

Figuur 3. Afbeelding van een hond vastgelegd door een infraroodcamera. Oorspronkelijk vertegenwoordigen de lichtere gebieden die met de hoogste temperatuur. De kleuren die tijdens de verwerking worden toegevoegd om interpretatie te vergemakkelijken, geven de verschillende temperaturen in het lichaam van het dier weer. Bron: Wikimedia Commons.

Pyrometrie

Als de temperaturen erg hoog zijn, is het meten met een kwikthermometer niet de beste optie. Hiervoor hebben pyrometers de voorkeur, waardoor de temperatuur van een object wordt afgeleid met de emissiviteit ervan, dankzij de emissie van een elektromagnetisch signaal.

Astronomie

Starlight is zeer goed gemodelleerd met de benadering van het zwarte lichaam, evenals het hele universum. En van zijn kant wordt de wet van Wien vaak gebruikt in de astronomie om de temperatuur van sterren te bepalen op basis van de golflengte van het licht dat ze uitstralen.

Militaire industrie

De raketten worden met behulp van infraroodsignalen op het doelwit gericht, die de heetste gebieden in vliegtuigen proberen te detecteren, zoals bijvoorbeeld motoren.

Referenties

1. Giambattista, A. 2010. Physics. 2e. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Geleiding, convectie en straling. Hersteld van: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Toepassingen van thermische straling. Hersteld van: www.ehu.eus.
4. NASA Earth Observatory. Klimaat en het energiebudget van de aarde. Hersteld van: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Warmtetoepassingen. Hersteld van: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Physics for Science and Engineering. Deel 1. 7e. Ed. Cengage Learning.