الإشعاع الحراري: الخصائص والأمثلة والتطبيقات - جسدي - بدني - 2026

و الاشعاع الحراري هو الطاقة المرسلة من قبل الجسم مع درجة الحرارة وموجات الطيف الكهرومغناطيسي الأشعة تحت الحمراء. تصدر جميع الأجسام دون استثناء بعض الأشعة تحت الحمراء ، مهما كانت درجة حرارتها منخفضة.

يحدث أنه عندما تكون في حركة متسارعة ، تتذبذب الجسيمات المشحونة كهربائيًا وبفضل طاقتها الحركية ، فإنها تبعث باستمرار موجات كهرومغناطيسية.

الشكل 1. نحن على دراية كبيرة بالإشعاع الحراري الذي يأتي من الشمس ، والتي هي في الواقع المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية. المصدر: Pxhere.

الطريقة الوحيدة التي لا يُصدر بها الجسم إشعاعًا حراريًا هي أن تكون جزيئاته في حالة راحة تامة. وبهذه الطريقة ستكون درجة حرارته صفرًا على مقياس كلفن ، لكن خفض درجة حرارة جسم ما إلى مثل هذه النقطة هو أمر لم يتحقق بعد.

خصائص الإشعاع الحراري

من الخصائص الرائعة التي تميز آلية نقل الحرارة هذه عن غيرها أنها لا تحتاج إلى وسيط مادي لإنتاجها. وهكذا ، فإن الطاقة المنبعثة من الشمس ، على سبيل المثال ، تسافر 150 مليون كيلومتر عبر الفضاء وتصل إلى الأرض بشكل مستمر.

يوجد نموذج رياضي لمعرفة مقدار الطاقة الحرارية لكل وحدة زمنية يشعها الجسم:

تُعرف هذه المعادلة بقانون ستيفان وتظهر الكميات التالية:

- الطاقة الحرارية لكل وحدة زمنية P ، والتي تعرف بالطاقة والتي وحدتها في النظام الدولي للوحدات هي الواط أو الواط (W).

- مساحة سطح الجسم الذي ينبعث منه الحرارة A بالمتر المربع.

- ثابت يسمى Stefan - Boltzman ثابت ، يُرمز له بـ σ وقيمته 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ،

- الانبعاثية (تسمى أيضًا الانبعاثات) للكائن e ، وهي كمية بلا أبعاد (بدون وحدات) تتراوح قيمتها بين 0 و 1. وهي مرتبطة بطبيعة المادة: على سبيل المثال ، المرآة ذات انبعاث منخفض ، في حين أن الجسم المظلم جدًا لديه انبعاثية عالية.

- وأخيرًا درجة الحرارة T في كلفن.

أمثلة على الإشعاع الحراري

وفقًا لقانون ستيفان ، فإن المعدل الذي يشع به الجسم للطاقة يتناسب مع المنطقة والانبعاثية والقوة الرابعة لدرجة الحرارة.

نظرًا لأن معدل انبعاث الطاقة الحرارية يعتمد على القوة الرابعة لـ T ، فمن الواضح أن التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة سيكون لها تأثير كبير على الإشعاع المنبعث. على سبيل المثال ، إذا تضاعفت درجة الحرارة ، سيزداد الإشعاع 16 مرة.

حالة خاصة من قانون ستيفان هي المبرد المثالي ، وهو جسم معتم تمامًا يسمى الجسم الأسود ، وانبعاثه هو بالضبط 1. في هذه الحالة ، يبدو قانون ستيفان كما يلي:

يحدث أن قانون ستيفان هو نموذج رياضي يصف تقريبًا الإشعاع المنبعث من أي جسم ، لأنه يعتبر الانبعاث ثابتًا. تعتمد الانبعاثية في الواقع على الطول الموجي للإشعاع المنبعث وانتهاء السطح وعوامل أخرى.

عندما يعتبر e ثابتًا ويتم تطبيق قانون ستيفان كما هو موضح في البداية ، فإن الكائن يسمى الجسم الرمادي.

قيم الانبعاث لبعض المواد المعالجة كجسم رمادي هي:

-الومنيوم مصقول 0.05

-الكربون الأسود 0.95

- بشرة الإنسان من أي لون 0.97

-الخشب 0.91

-الجليد 0.92

-مياه 0.91

-النحاس بين 0.015 و 0.025

-الصلب بين 0.06 و 0.25

الإشعاع الحراري من الشمس

من الأمثلة الملموسة لجسم ينبعث منه إشعاع حراري الشمس. وتشير التقديرات إلى أن كل ثانية تصل إلى 1370 J من الطاقة على شكل إشعاع كهرومغناطيسي الأرض من الشمس.

تُعرف هذه القيمة بالثابت الشمسي ولكل كوكب واحد ، والذي يعتمد على متوسط ​​المسافة بينه وبين الشمس.

يمر هذا الإشعاع بشكل عمودي عبر كل م ² من طبقات الغلاف الجوي ويتم توزيعه بأطوال موجية مختلفة.

تأتي جميعها تقريبًا في شكل ضوء مرئي ، لكن جزءًا كبيرًا منها يأتي على هيئة أشعة تحت حمراء ، وهي بالضبط ما نعتبره حرارة ، وبعضها أيضًا أشعة فوق بنفسجية. إنها كمية كبيرة من الطاقة تكفي لتلبية احتياجات الكوكب ، من أجل التقاطها واستخدامها بشكل صحيح.

من حيث الطول الموجي ، هذه هي النطاقات التي يوجد ضمنها الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض:

- الأشعة تحت الحمراء ، ما نعتبره حرارة: 100 - 0.7 ميكرومتر *

- ضوء مرئي بين 0.7 - 0.4 ميكرومتر

- الأشعة فوق البنفسجية ، أقل من 0.4 ميكرومتر

* 1 ميكرومتر = 1 ميكرومتر أو واحد على مليون من المتر.

قانون فيينا

توضح الصورة أدناه توزيع الإشعاع على طول الموجة لدرجات حرارة مختلفة. يخضع التوزيع لقانون الإزاحة الخاص بـ Wien ، والذي بموجبه يتناسب الطول الموجي للإشعاع الأقصى λ _max عكسياً مع درجة الحرارة T في كلفن:

λ _{الحد الأقصى} T = 2.898. 10 ⁻³ مللي كلفن

الشكل 2. رسم بياني للإشعاع كدالة لطول الموجة لجسم أسود. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تبلغ درجة حرارة سطح الشمس حوالي 5700 كلفن وتشع بشكل أساسي عند أطوال موجية أقصر ، كما رأينا. المنحنى الأقرب لمنحنى الشمس هو 5000 كلفن باللون الأزرق وبالطبع لديه الحد الأقصى في نطاق الضوء المرئي. لكنها أيضًا تصدر جزءًا جيدًا من الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

تطبيقات الإشعاع الحراري

طاقة شمسية

يمكن تخزين الكمية الكبيرة من الطاقة التي تشعها الشمس في أجهزة تسمى المجمعات ، لتحويلها لاحقًا واستخدامها بشكل ملائم كطاقة كهربائية.

كاميرات الأشعة تحت الحمراء

إنها كاميرات ، كما يوحي اسمها ، تعمل في منطقة الأشعة تحت الحمراء بدلاً من الضوء المرئي ، مثل الكاميرات الشائعة. يستفيدون من حقيقة أن جميع الأجسام تصدر إشعاعًا حراريًا بدرجة أكبر أو أقل اعتمادًا على درجة حرارتها.

الشكل 3. صورة لكلب تم التقاطه بواسطة كاميرا الأشعة تحت الحمراء. تمثل المناطق الأخف في الأصل تلك ذات أعلى درجة حرارة. تظهر الألوان ، التي تضاف أثناء المعالجة لتسهيل التفسير ، درجات الحرارة المختلفة في جسم الحيوان. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

قياس الحرارة

إذا كانت درجات الحرارة عالية جدًا ، فإن قياسها بميزان حرارة زئبقي ليس هو الخيار الأفضل. لهذا ، يُفضل البيرومترات ، والتي من خلالها يتم استنتاج درجة حرارة الجسم مع معرفة انبعاثه ، وذلك بفضل انبعاث إشارة كهرومغناطيسية.

الفلك

تم تصميم Starlight بشكل جيد للغاية مع تقريب الجسم الأسود ، وكذلك الكون بأكمله. ومن جانبه ، كثيرًا ما يستخدم قانون فيينا في علم الفلك لتحديد درجة حرارة النجوم ، وفقًا للطول الموجي للضوء الذي تنبعث منه.

الصناعة العسكرية

تستهدف الصواريخ الهدف باستخدام إشارات الأشعة تحت الحمراء التي تسعى للكشف عن المناطق الأكثر سخونة في الطائرات ، مثل المحركات على سبيل المثال.

المراجع

1. جيامباتيستا ، أ. 2010. الفيزياء. الثاني. إد ماكجرو هيل.
2. غوميز ، إي التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. تم الاسترجاع من: eltamiz.com.
3. González de Arrieta، I. تطبيقات الإشعاع الحراري. تم الاسترجاع من: www.ehu.eus.
4. مرصد ناسا الأرض. المناخ وميزانية طاقة الأرض. تم الاسترجاع من: earthobservatory.nasa.gov.
5. ناتاهيناو. تطبيقات الحرارة. تم الاسترجاع من: natahenao.wordpress.com.
6. سيرواي ، ر. الفيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 1. السابع. Ed. Cengage Learning.