Strahlungswärmeübertragung (mit Beispielen)

Der Wärmeübertragung durch Strahlung Es besteht aus Energiefluss durch elektromagnetische Wellen. Da sich diese Wellen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum bewegen können, können sie auch Wärme übertragen.

Elektromagnetische Wellen haben kontinuierliche Wellenlängen, genannt Spektrum Und das geht von den längeren und weniger Energiewellenlängen bis zur kürzesten und mit größerer Energie.

Unter ihnen ist Infrarotstrahlung, ein Band in der Nähe des sichtbaren Wellenlängenstreifens, aber darunter. Auf diese Weise erreichen große Mengen von Hitze aus der Sonne die Erde und überqueren Millionen Kilometer.

Aber nicht nur Glühbilde, wie die Sonne Wärme in Form von Strahlung emittieren, in Wirklichkeit ist jedes Objekt kontinuierlich, nur wenn die Temperatur niedrig ist.

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Wie wird Wärme durch Strahlung übertragen??

Verbrennungskohlen übertragen Wärme durch Strahlung

Die Elektronen vibrieren, elektromagnetische Wellen emittieren. Wenn die Wellen niedriger Frequenz sind, ist es gleichwertig zu sagen, dass ihre Wellenlänge lang ist und die Wellenbewegung langsam ist, daher hat sie wenig Energie. Aber wenn die Frequenz zunimmt, bewegt sich die Welle schneller und hat mehr Energie.

Ein Objekt mit etwas Temperatur T emittiert Strahlung häufig F, so dass T Und F Sie sind proportional. Und da elektromagnetische Wellen kein materielles Medium benötigen, um sich auszubreiten, können Infrarotphotonen, die für die Ausbreitung von Strahlung verantwortlich sind, ohne Leerproblem bewegt werden.

So kommt die Strahlung der Sonne auf die Erde und die anderen Planeten. Mit der Entfernung werden die Wellen jedoch abgeschwächt und die Wärmemenge nimmt jedoch ab.

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Stefans Gesetz und Wiens Gesetz

Der Stefan -Gesetz erklärt, dass die Macht könnte⁴, Nach dem Ausdruck:

P =ZUσeT⁴

In internationalen Systemeinheiten erhält sich die Stromversorgung in Watts (W) und der Temperatur in Kelvin (K). In dieser Gleichung ist a die Oberfläche des Objekts, σ Es ist Stefans Konstante - Boltzman, das 5 wert ist.66963 x10^-8 W/m² K⁴,

Endlich ist e das Emission  entweder Ausgabe des Objekts, ein numerischer Wert ohne Einheiten, zwischen 0 und 1. Der Wert wird gemäß dem Material angegeben, da die sehr dunklen Körper einen hohen Emissionsvermögen haben, genau das Gegenteil eines Spiegels.

Strahlungsquellen wie das Filament einer Glühbirne oder der Sonne emittieren in vielen Wellenlängen Strahlung. Die Sonne ist fast alles im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Zwischen der maximalen Wellenlänge λ_Max Und die Emitter -T -Temperatur ist eine Beziehung, die nach Wiens Gesetz gegeben ist:

λ_Max ∙ t = 2.898 . 10 ^–3 M�k

Die Strahlung eines schwarzen Körpers

Die folgende Abbildung zeigt Energieemissionskurven in Abhängigkeit von der Temperatur in Kelvin, für ein ideales Objekt, das die gesamte Strahlung absorbiert, die sie beeinflusst, und wiederum ein perfekter Emitter ist. Dieses Objekt heißt Schwarzer Körper.

Wellenlängenverteilung für verschiedene Temperaturen. Quelle: Wikimedia Commons.

Die Räume zwischen den Kohlen der Glut in einem Ofen verhalten sich als ideale Strahlungsemitter der Art des schwarzen Körpers mit ausreichendem Ansatz. Es wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um die verschiedenen Temperaturkurven und ihre jeweiligen Wellenlängenverteilungen zu bestimmen.

Wie zu sehen ist, ist bei einer höheren Temperatur die Wellenlänge niedriger, desto größer ist die Frequenz und Strahlung mehr Energie.

Angenommen, die Sonne verhält sich wie ein schwarzer Körper, unter den in der Abbildung gezeigten Kurven, die der Temperatur der Sonnenoberfläche am nächsten liegt, ist die von 5500 K. Sein Peak findet sich in der Wellenlänge von 500 nm (Nanometer).

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Die Sonnenoberflächentemperatur beträgt ungefähr 5700 K. Des Wiens Gesetz:

λ_Max = 2.898 × ​​10 ^–3 m�k / 5700 k = 508, 4 nm

Dieses Ergebnis stimmt ungefähr mit dem in der Grafik beobachteten beobachtet. Diese Wellenlänge gehört zum sichtbaren Bereich des Spektrums. Es muss jedoch betont werden, dass nur der Verteilungspeak repräsentiert. Tatsächlich strahlt die Sonne den größten Teil ihrer Energie zwischen den Infrarotwellenlängen, dem sichtbaren Spektrum und dem Ultraviolett aus.

Beispiele Wärmeübertragung durch Strahlung

Alle Objekte werden ausnahmslos irgendeine Form von Wärme durch Strahlung abgeben, einige sind jedoch viel bemerkenswerter:

Elektrische Küchen, Toaster und elektrische Erwärmung

Die Küche ist ein guter Ort, um die Wärmeübertragungsmechanismen zu untersuchen, beispielsweise kann sich die Strahlung (vorsichtig) der Hand an das elektrische Brötchen nähern, das mit orangefarbenem Glühen leuchtet. Oder auch zu den Grillgrills zu braten.

Die Widerstandselemente der Heizung, die Toaster und die elektrischen Öfen werden ebenfalls erhitzt und erwerben ein orangefarbenes Glühen, die auch Wärme durch Strahlung übertragen.

Glühlampen

Das Filament der Glühbirnen erreicht hohe Temperaturen zwischen 1200 und 2500 ° C.

Sonne

Die Sonne überträgt Wärme durch Strahlung auf die Erde, durch den Raum, der sie trennt. Tatsächlich ist Strahlung der wichtigste Wärmeübertragungsmechanismus in fast allen Sternen, obwohl auch andere, wie z. B. Konvektion, eine wichtige Rolle spielen.

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Die Energiequelle in der Sonne ist der thermonukleare Fusionsreaktor im Kern, der große Mengen an Energie durch die Umwandlung von Wasserstoff in Helium freigibt. Ein guter Teil dieser Energie ist in sichtbar.

Die Erde

Planet Erde ist auch ein Strahlungsemitter, obwohl er keinen Reaktor in seiner Mitte hat, wie z. B. die Sonne.

Terrestrische Emissionen sind auf den radioaktiven Zerfall verschiedener Mineralien wie Uran und Radio zurückzuführen. Deshalb ist die Innenseite der tiefen Minen immer heiß, obwohl diese thermische Energie eine geringere Frequenz ist als die Sonne, die emittiert wurde.

Da die Atmosphäre der Erde mit den verschiedenen Wellenlängen selektiv ist, erreicht die Sonnenwärme die Oberfläche ohne Probleme, da die Atmosphäre die Hauptfrequenzen vergehen lässt.

Die Atmosphäre ist jedoch undurchsichtig, bevor die Infrarotstrahlung mit geringerer Energie in der Erde aufgrund natürlicher Ursachen und durch menschliche Hand produziert wird. Mit anderen Worten, es lässt es nicht draußen fliehen und trägt daher zur globalen Erwärmung des Planeten bei.

Verweise

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