Radiația termică

(Lungimea de undă de vârf și cantitatea totală radiată variază în funcție de temperatură conform legii deplasării Wien. Deși acest lucru indică temperaturi relativ ridicate, aceleași relații sunt valabile pentru orice temperatură până la zero absolut, lumina vizibilă fiind între 380 și 750 nm.)

Radiația termică este radiația electromagnetică generată de mișcarea termică a particulelor încărcate în materie. Toate materialele cu o temperatură mai mare decât zero absolută emit radiații termice. Atunci când temperatura unui corp este mai mare decât zero absolut, coliziunile inter-atomice determină schimbarea energiei cinetice a atomilor sau a moleculelor. Aceasta are ca efect accelerația de sarcină și/sau oscilația dipolului care produce radiații electromagnetice, iar spectrul larg de radiații reflectă spectrul larg de energii și accelerații care apar chiar la o singură temperatură.

Exemple de radiații termice includ lumina vizibilă și lumina infraroșie emise de un bec cu incandescență, radiația infraroșie emisă de animale care este detectabilă cu o cameră cu infraroșu și radiația cosmică de fundal cu microunde. Radiația termică este diferită de cea a convecției termice și a conducției termice – o persoană aflată în apropierea unui incendiu puternic simte încălzirea radiantă a focului, chiar dacă aerul înconjurător este foarte rece.

Lumina soarelui face parte din radiațiile termice generate de plasma fierbinte a Soarelui. Pământul emite și el radiații termice, dar la o intensitate mult mai mică și o distribuție spectrală diferită (infraroșu mai degrabă decât vizibil), deoarece este mai rece. Absorbția de Pământ a radiației solare, urmată de emisia de radiație termică, sunt cele mai importante două procese care determină temperatura și clima Pământului în majoritatea modelelor climatice.

Dacă un obiect care emite radiații îndeplinește caracteristicile fizice ale unui corp negru în echilibru termodinamic, radiația se numește radiație a corpului negru. Legea lui Planck descrie spectrul de radiații a corpului negru, care depinde numai de temperatura obiectului. Legea deplasării de către Wien determină frecvența cea mai probabilă a radiației emise, iar legea lui Stefan-Boltzmann dă intensitatea radiantă.

Radiația termică este unul dintre mecanismele fundamentale ale transferului de căldură. Pentru un obiect din spațiul cosmic, acesta este singurul mecanism prin care obiectul poate câștiga sau pierde căldură, deoarece nu există aer pentru convecție și nici contact cu vreun material pentru conducție.

Prezentare generală

Radiația termică, cunoscută și sub numele de căldură, este emisia de unde electromagnetice din orice materie care are o temperatură mai mare de zero absolute. Aceasta reprezintă o conversie a energiei termice în energie electromagnetică. Energia termică constă în energia cinetică a mișcărilor aleatoare ale atomilor și moleculelor din materie. Toate materiile cu o temperatură prin definiție sunt compuse din particule care au energie cinetică și care interacționează între ele. Acești atomi și molecule sunt compuși din particule încărcate, adică protoni și electroni, iar interacțiunile cinetice dintre particulele de materie au ca rezultat accelerarea încărcării și oscilația dipolului. Aceasta are ca rezultat generarea electrodinamică a câmpurilor electrice și magnetice cuplate, rezultând emisia de fotoni, care radiază energia departe de corp prin limita de suprafață. Radiațiile electromagnetice, inclusiv lumina, nu necesită prezența materiei pentru a se propaga și călătorește în vidul spațiului la infinit departe dacă nu este obstrucționată.

Caracteristicile radiației termice depind de diferitele proprietăți ale suprafeței din care emană, incluzând temperatura, absorbția spectrală și puterea emisivă spectrală, exprimată prin legea lui Kirchhoff. Radiația nu este monocromatică, adică nu constă dintr-o singură frecvență, ci cuprinde o dispersie continuă a energiilor fotonice, spectrul său caracteristic. Dacă corpul radiant și suprafața acestuia sunt în echilibru termodinamic și suprafața are o absorbție perfectă la toate lungimile de undă, acesta este caracterizat ca un corp negru. Un corp negru este, de asemenea, un emițător perfect. Radiația unor astfel de emițători perfecți se numește radiație neagră a corpului. Raportul emisiilor oricărui organism față de cel al unui corp negru este emisivitatea corpului, astfel încât un corp negru are o emisivitate de o unitate.

 (Răspuns spectral al două vopsele și o suprafață în oglindă, în vizibil și în infraroșu. De la NASA.)

Absorbția, reflexia și emisivitatea tuturor corpurilor depind de lungimea de undă a radiației. Datorită reciprocității, absorbția și emisivitatea pentru orice lungime de undă particulară sunt egale – un absorbant bun este în mod necesar un emițător bun și un absorbant slab un emițător slab. Temperatura determină distribuția lungimii de undă a radiației electromagnetice. De exemplu, vopseaua albă din diagrama din dreapta reflectă foarte mult lumina vizibilă (reflexivitatea este de aproximativ 0,80) și, astfel, apare alb față de ochiul uman datorită reflectării soarelui, care are o lungime de undă de vârf de aproximativ 0,5 micrometri. Cu toate acestea, emisivitatea sa la o temperatură de aproximativ -5 °C (23 °F), lungimea de undă de vârf de aproximativ 12 micrometri, este de 0,95. Astfel, pentru radiația termică apare negru.

Distribuția puterii pe care un corp negru o emite cu o frecvență variabilă este descrisă de legea lui Planck. La orice temperatură dată, există o frecvență f_max la care puterea emisă este maximă. Legea deplasării Wien și faptul că frecvența este invers proporțională cu lungimea de undă indică faptul că frecvența maximă f_max este proporțională cu temperatura absolută T a corpului negru. Fotosfera soarelui, la o temperatură de aproximativ 6000 K, emite radiații în principal în porțiunea (umană) vizibilă a spectrului electromagnetic. Atmosfera pământului este parțial transparentă pentru lumina vizibilă, iar lumina care ajunge la suprafață este absorbită sau reflectată. Suprafața Pământului emite radiația absorbită, aproximând comportamentul unui corp negru la 300 K cu vârful spectral la f_max. La aceste frecvențe joase, atmosfera este în mare parte opacă și radiația de pe suprafața Pământului este absorbită sau împrăștiată de atmosferă. Deși unele radiații scapă în spațiu, cele mai multe sunt absorbite și apoi re-emise de gaze atmosferice. Această selectivitate spectrală a atmosferei este responsabilă de efectul de seră planetar, contribuind la încălzirea globală și la schimbările climatice în general (dar contribuie și ele la stabilitatea climatică atunci când compoziția și proprietățile atmosferei nu se schimbă).

Becul incandescent are un spectru care suprapune spectrul corpului negru al soarelui și al pământului. Unii dintre fotonii emiși de un filament cu bec de tungsten la 3000 K sunt în spectrul vizibil. Cea mai mare parte a energiei este asociată cu fotoni cu lungimi de undă mai lungi; aceștia nu ajută o persoană să vadă, dar încă transferă căldură în mediul înconjurător, așa cum se poate deduce empiric prin observarea unui bec cu incandescență. Ori de câte ori radiația electromagnetică este emisă și apoi absorbită, căldura este transferată. Acest principiu este utilizat în cuptoare cu microunde, tăiere cu laser și îndepărtarea părului prin electrologie.

Spre deosebire de formele conductive și convective de transfer de căldură, radiația termică poate fi concentrată într-un loc mic utilizând oglinzile reflectante. Concentrarea energiei solare profită de acest fapt. În multe astfel de sisteme, oglinzile sunt folosite pentru a concentra lumina soarelui într-o zonă mai mică. În loc de oglinzi, lentilele Fresnel pot fi de asemenea folosite pentru concentrarea fluxului de căldură. (În principiu, orice tip de lentilă poate fi utilizată, însă doar designul obiectivului Fresnel este practic pentru lentilele foarte mari.) Oricare dintre metode poate fi folosită pentru a vaporiza rapid apă în abur folosind lumina soarelui.

Efecte de suprafață

Culorile mai ușoare și, de asemenea, substanțele albe și metalice, absorb mai puțină lumină, încălzind astfel mai puțin; dar în caz contrar culoarea face mici diferențe în ceea ce privește transferul de căldură între un obiect la temperaturile cotidiene și împrejurimile sale, deoarece lungimile de undă predominante emise nu se găsesc niciunde în apropierea spectrului vizibil, ci mai degrabă în infraroșu. Emisiile la aceste lungimi de undă nu au nimic de-a face cu emisivitatea vizuală (culori vizibile); în infraroșul îndepărtat, cele mai multe obiecte au emisii ridicate. Astfel, în afară de lumina soarelui, culoarea îmbrăcămintei face o mică diferență în ceea ce privește căldura; de asemenea, culoarea vopselei de case face o mică diferență față de căldură, cu excepția cazului în care partea vopsită este însorită.

Principala excepție este suprafața metalică strălucitoare, care are emisii scăzute atât la lungimile de undă vizibile, cât și la infraroșuul îndepărtat. Astfel de suprafețe pot fi utilizate pentru a reduce transferul de căldură în ambele direcții; un exemplu în acest sens este izolația multistrat folosită pentru izolarea navelor spațiale.

Ferestrele cu emisie redusă în locuințe sunt o tehnologie mai complicată, deoarece acestea trebuie să aibă emisivitate scăzută la lungimi de undă termale, rămânând în același timp transparente pentru lumina vizibilă.

Nanostructurile cu proprietăți de emitere termică selectivă spectrală oferă numeroase aplicații tehnologice pentru generarea și eficiența energetică, de exemplu pentru răcirea celulelor fotovoltaice și a clădirilor. Aceste aplicații necesită o emisie ridicată în intervalul de frecvență corespunzător ferestrei transparenței atmosferice în intervalul de lungimi de undă de 8 până la 13 microni. Un emițător selectiv care radiază puternic în acest interval este astfel expus cerului senin, permițând utilizarea spațiului exterior ca radiator de temperatură foarte scăzută.

Tehnologia de răcire personalizată este un alt exemplu al unei aplicații în care selectivitatea spectrală optică poate fi benefică. Răcirea personală convențională se realizează în mod obișnuit prin conducția căldurii și prin convecție. Cu toate acestea, corpul uman este un emițător foarte eficient al radiației IR, care oferă mecanism suplimentar de răcire. Cele mai multe țesături convenționale sunt opace la radiațiile IR și blochează emisia termică din corp în mediul înconjurător. Au fost propuse țesături pentru aplicații de răcire personalizate care permit transmisia IR să treacă direct prin îmbrăcăminte, fiind opace la lungimi de undă vizibile. Țesăturile transparente în infraroșu pot radia căldura corporală la rate care vor reduce în mod semnificativ sarcina asupra sistemelor de aer condiționat din cauza consumului de energie.

Proprietăți

Există patru proprietăți principale care caracterizează radiația termică (în limita câmpului îndepărtat):

• Radiațiile termice emise de un corp la orice temperatură constau dintr-o gamă largă de frecvențe. Distribuția frecvenței este dată de legea lui Planck privind radiația corpului negru pentru un emițător idealizat, așa cum se arată în diagrama de sus.
• Intervalul de frecvență (sau culoarea) dominantă a radiației emise se deplasează la frecvențe mai mari, pe măsură ce crește temperatura emițătorului. De exemplu, un obiect fierbinte roșu radiază în principal pe lungimile de undă lungi (roșu și portocaliu) ale benzii vizibile. Dacă se încălzește în continuare, ea începe, de asemenea, să emită cantități discrete de lumină verde și albastră, iar răspândirea frecvențelor în întreaga gamă vizibilă face să pară alb ochiului uman; este albul cald. Chiar și la o temperatură alb-caldă de 2000 K, 99% din energia radiației este încă în infraroșu. Acest lucru este determinat de legea de deplasare Wien. În diagramă, valoarea maximă pentru fiecare curbă se deplasează spre stânga pe măsură ce crește temperatura.
• Cantitatea totală de radiații a tuturor frecvențelor crește brusc pe măsura creșterii temperaturii; crește ca T⁴, unde T este temperatura absolută a corpului. Un obiect la temperatura cuptorului de bucătărie, aproximativ dublu față de temperatura camerei pe scara de temperatură absolută (600 K vs 300 K), emite de 16 ori mai multă putere pe unitate de suprafață. Un obiect la temperatura filamentului într-un bec cu incandescență – aproximativ 3000 K, sau de 10 ori temperatura camerei – radiază de 10.000 ori mai multă energie pe unitatea de suprafață. Intensitatea totală a radiației unui corp negru crește ca a patra putere a temperaturii absolute, exprimată prin legea lui Stefan-Boltzmann. În grafic, suprafața de sub fiecare curbă crește rapid cu creșterea temperaturii.
• Rata de radiații electromagnetice emise la o anumită frecvență este proporțională cu cantitatea de absorbție pe care o va avea sursa, o proprietate cunoscută ca reciprocitate. Astfel, o suprafață care absoarbe mai multă lumină roșie radiază termic mai multă lumină roșie. Acest principiu se aplică tuturor proprietăților undelor, incluzând lungimea de undă (culoare), direcția, polarizarea și chiar coerența, astfel încât este destul de posibil să existe o radiație termică polarizată, coerentă și direcționată, deși forme polarizate și coerente sunt foarte rare în natură, departe de surse (în ceea ce privește lungimea de undă).