การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี: แนวคิด การคำนวณ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ที่นี่ผู้อ่านจะพบข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนและจะพิจารณารายละเอียดเกี่ยวกับปรากฏการณ์การถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสี การเชื่อฟังกฎหมายบางประการ คุณสมบัติของกระบวนการ สูตรของความร้อน การใช้งาน ของการถ่ายเทความร้อนโดยมนุษย์และการไหลของมันในธรรมชาติ

การเข้าร่วมแลกเปลี่ยนความร้อน

เพื่อให้เข้าใจแก่นแท้ของการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจสาระสำคัญของมันและรู้ว่ามันคืออะไร?

การถ่ายเทความร้อนคือการเปลี่ยนแปลงในดัชนีพลังงานของประเภทภายในโดยไม่ต้องทำงานบนวัตถุหรือวัตถุ และยังไม่มีงานทำโดยร่างกาย กระบวนการดังกล่าวดำเนินไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงเสมอ กล่าวคือ ความร้อนผ่านจากร่างกายที่มีดัชนีอุณหภูมิที่สูงกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่ออุณหภูมิร่างกายถึงเท่ากัน กระบวนการจะหยุด และดำเนินการโดยใช้การนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสี

1. การนำความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายโอนพลังงานภายในจากชิ้นส่วนของร่างกายหนึ่งไปยังอีกชิ้นส่วนหนึ่งหรือระหว่างร่างกายเมื่อสัมผัสกัน
2. พาคือการพาความร้อนที่เกิดจากการถ่ายเทพลังงานพร้อมกับการไหลของของเหลวหรือก๊าซ
3. การแผ่รังสีเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในธรรมชาติ ที่ปล่อยออกมาจากพลังงานภายในของสารที่อยู่ในสถานะอุณหภูมิที่กำหนด

สูตรความร้อนทำให้คุณสามารถคำนวณเพื่อกำหนดปริมาณพลังงานที่ถ่ายโอน อย่างไรก็ตาม ค่าที่วัดได้จะขึ้นอยู่กับลักษณะของกระบวนการที่กำลังดำเนินอยู่:

1. Q=cmΔt=cm(t₂ – t_{1) – การทำความร้อนและความเย็น}
2. Q=mλ – การตกผลึกและการหลอมเหลว
3. Q=นาย - การควบแน่นของไอน้ำ การเดือดและการระเหย;
4. Q=mq – การเผาไหม้เชื้อเพลิง

ความสัมพันธ์ระหว่างร่างกายกับอุณหภูมิ

เพื่อให้เข้าใจว่าการถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสีคืออะไร คุณจำเป็นต้องรู้กฎพื้นฐานของฟิสิกส์เกี่ยวกับการแผ่รังสีอินฟราเรด สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าร่างกายใดก็ตามที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์ในแง่สัมบูรณ์จะแผ่พลังงานความร้อนออกมาเสมอ มันอยู่ในสเปกตรัมอินฟราเรดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

อย่างไรก็ตามร่างกายที่มีอุณหภูมิเท่ากันจะมีความสามารถในการเปล่งพลังงานรังสีต่างกัน ลักษณะนี้จะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น โครงสร้างร่างกาย ธรรมชาติ รูปร่าง และสภาพพื้นผิว ธรรมชาติของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึงคลื่นคู่ สนามของประเภทแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะควอนตัมและควอนตัมแสดงด้วยโฟตอน ปฏิกิริยากับอะตอมโฟตอนจะถูกดูดซับและถ่ายโอนพลังงานไปยังอิเล็กตรอนโฟตอนจะหายไป ความผันผวนทางความร้อนของเลขชี้กำลังอะตอมในโมเลกุลเพิ่มขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานที่แผ่ออกมาจะถูกแปลงเป็นความร้อน

พลังงานที่แผ่รังสีถือเป็นปริมาณหลักและแสดงด้วยเครื่องหมาย W ซึ่งวัดเป็นจูล (J) ฟลักซ์การแผ่รังสีแสดงค่าเฉลี่ยของพลังงานในช่วงระยะเวลาหนึ่งซึ่งมากกว่าช่วงเวลาของการแกว่ง (พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างหน่วยเวลา) หน่วยที่ปล่อยออกมาจากสตรีมจะแสดงเป็นจูลต่อวินาที (J / s) วัตต์ (W) ถือเป็นตัวเลือกที่ยอมรับโดยทั่วไป

การแผ่รังสีความร้อนเบื้องต้น

ตอนนี้เพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีคือการแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งซึ่งมีดัชนีอุณหภูมิต่างกัน เกิดขึ้นได้ด้วยความช่วยเหลือของรังสีอินฟราเรด มันเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าและอยู่ในขอบเขตของสเปกตรัมคลื่นของธรรมชาติแม่เหล็กไฟฟ้า ช่วงคลื่นอยู่ในช่วง 0.77 ถึง 340 µm ช่วงตั้งแต่ 340 ถึง 100 µm ถือเป็นคลื่นยาว, 100 - 15 µm เป็นช่วงคลื่นกลาง และความยาวคลื่นสั้นตั้งแต่ 15 ถึง 0.77 µm

ส่วนคลื่นสั้นของสเปกตรัมอินฟราเรดอยู่ติดกับแสงที่มองเห็นได้ และส่วนคลื่นยาวของคลื่นจะเข้าสู่คลื่นวิทยุเกินขีด รังสีอินฟราเรดมีลักษณะการแพร่กระจายเป็นเส้นตรงสามารถหักเหสะท้อนแสงและโพลาไรซ์ได้ สามารถเจาะวัสดุต่างๆ ที่ทึบแสงจนถึงแสงที่มองเห็นได้

กล่าวอีกนัยหนึ่ง การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีสามารถระบุได้ว่าเป็นการถ่ายเทความร้อนในรูปของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในขณะที่กระบวนการดำเนินการระหว่างพื้นผิวที่อยู่ในกระบวนการของการแผ่รังสีร่วมกัน

ดัชนีความเข้มข้นถูกกำหนดโดยการจัดเรียงพื้นผิวร่วมกัน ความสามารถในการแผ่รังสีและการดูดซับของร่างกาย การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีระหว่างวัตถุต่างๆ แตกต่างจากกระบวนการพาความร้อนและการนำความร้อน โดยความร้อนนั้นสามารถส่งผ่านสุญญากาศได้ ความคล้ายคลึงกันของปรากฏการณ์นี้กับปรากฏการณ์อื่นๆ เกิดจากการถ่ายเทความร้อนระหว่างร่างกายที่มีดัชนีอุณหภูมิต่างกัน

ฟลักซ์การแผ่รังสี

การถ่ายเทความร้อนระหว่างร่างกายมีฟลักซ์การแผ่รังสีจำนวนหนึ่ง:

1. ฟลักซ์การแผ่รังสีที่แท้จริง - E ซึ่งขึ้นอยู่กับดัชนีอุณหภูมิ T และลักษณะทางแสงของร่างกาย
2. การไหลของรังสีตกกระทบ
3. ชนิดดูดกลืน สะท้อน และส่งผ่านของรังสี สรุปคือ E_pad.

สภาพแวดล้อมที่เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนสามารถดูดซับรังสีและแนะนำตัวเองได้

การแผ่รังสีความร้อนระหว่างวัตถุจำนวนหนึ่งอธิบายโดยฟลักซ์การแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพ:

E_EF=E+E_OTR=E+(1-A)E_FAD.ร่างกาย ที่อุณหภูมิใด ๆ ที่มีตัวบ่งชี้ L=1, R=0 และ O=0 เรียกว่า "สีดำสนิท" มนุษย์สร้างแนวคิดเรื่อง "รังสีสีดำ" มันสอดคล้องกับตัวบ่งชี้อุณหภูมิเพื่อความสมดุลของร่างกาย พลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาคำนวณโดยใช้อุณหภูมิของวัตถุหรือวัตถุ ธรรมชาติของร่างกายไม่ส่งผลต่อสิ่งนี้

ทำตามกฎหมายโบลต์ซมันน์

ลุดวิก โบลซ์มันน์ ซึ่งอาศัยอยู่ในอาณาเขตของจักรวรรดิออสเตรียในปี พ.ศ. 2387-2449 ได้สร้างกฎหมายของสเตฟาน-โบลซ์มันน์ เขาเป็นคนที่อนุญาตให้บุคคลหนึ่งเข้าใจถึงสาระสำคัญของการแลกเปลี่ยนความร้อนและทำงานกับข้อมูลได้ดีขึ้นตลอดหลายปีที่ผ่านมา พิจารณาถ้อยคำของมัน

กฎหมายของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์เป็นกฎหมายที่สมบูรณ์ซึ่งอธิบายลักษณะบางอย่างของวัตถุสีดำสนิท ช่วยให้คุณระบุการพึ่งพาความหนาแน่นของพลังงานรังสีของวัตถุสีดำบนดัชนีอุณหภูมิได้

ปฏิบัติตามกฎหมาย

กฎของการแผ่รังสีความร้อนเป็นไปตามกฎหมายของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ ระดับความเข้มของการถ่ายเทความร้อนผ่านการนำความร้อนและการพาความร้อนเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิ พลังงานการแผ่รังสีในฟลักซ์ความร้อนนั้นแปรผันตามอุณหภูมิเป็นกำลังที่สี่ หน้าตาเป็นแบบนี้:

q=σ A (T₁⁴ – T₂ ^4).

ในสูตร q คือฟลักซ์ความร้อน A คือพื้นที่ผิวของร่างกายที่แผ่พลังงานออกมา T₁ และ T_{2 คืออุณหภูมิที่เปล่งออกมาร่างกายและสิ่งแวดล้อมที่ดูดซับรังสีนี้}

กฎการแผ่รังสีความร้อนข้างต้นอธิบายเฉพาะการแผ่รังสีในอุดมคติที่สร้างขึ้นโดยวัตถุสีดำสนิทเท่านั้น (a.h.t.) ในชีวิตจริงไม่มีร่างกายดังกล่าว อย่างไรก็ตาม พื้นผิวสีดำเรียบเข้าใกล้ A. Ch. T. รังสีจากวัตถุเบาค่อนข้างอ่อน

มีการนำปัจจัยการแผ่รังสีมาใช้โดยคำนึงถึงความเบี่ยงเบนจากอุดมคติของจำนวนมากปริมาณของเอสที ลงในองค์ประกอบที่ถูกต้องของนิพจน์ที่อธิบายกฎของสเตฟาน-โบลซ์มันน์ ดัชนีการแผ่รังสีเท่ากับค่าที่น้อยกว่าหนึ่ง พื้นผิวสีดำเรียบสามารถทำให้ค่าสัมประสิทธิ์นี้สูงถึง 0.98 ในขณะที่กระจกโลหะจะไม่เกิน 0.05 ดังนั้นการดูดกลืนแสงสูงสำหรับวัตถุสีดำและต่ำสำหรับวัตถุที่มีลักษณะพิเศษ

เกี่ยวกับตัวสีเทา (s.t.)

ในการถ่ายเทความร้อน มักจะมีการกล่าวถึงคำเช่นตัวสีเทา วัตถุนี้คือวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบสเปกตรัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยกว่าหนึ่ง ซึ่งไม่ได้อิงตามความยาวคลื่น (ความถี่)

การแผ่รังสีความร้อนจะเท่ากันตามองค์ประกอบสเปกตรัมของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำที่มีอุณหภูมิเท่ากัน ตัวสีเทาแตกต่างจากสีดำโดยตัวบ่งชี้ความเข้ากันได้ของพลังงานที่ต่ำกว่า ถึงระดับความมืดสเปกตรัมของ s.t. ความยาวคลื่นไม่ได้รับผลกระทบ ในแสงที่มองเห็น เขม่า ถ่านหิน และผงแพลตตินั่ม (สีดำ) อยู่ใกล้กับตัวสีเทา

สาขาการประยุกต์ใช้ความรู้การถ่ายเทความร้อน

การปล่อยความร้อนเกิดขึ้นรอบตัวเราตลอดเวลา ในที่อยู่อาศัยและสำนักงาน คุณมักจะพบเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าที่มีการแผ่รังสีความร้อน และเราเห็นมันในรูปแบบของเกลียวสีแดงเรืองแสง - ความร้อนดังกล่าวเป็นของที่มองเห็นได้ มัน "ยืนอยู่" ที่ขอบของ สเปกตรัมอินฟราเรด

การทำความร้อนในห้องนั้นเป็นส่วนประกอบที่มองไม่เห็นของรังสีอินฟราเรด ใช้อุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืนแหล่งกำเนิดรังสีความร้อนและตัวรับที่ไวต่อรังสีอินฟราเรด ซึ่งช่วยให้คุณนำทางได้ดีในที่มืด

พลังงานอาทิตย์

ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานความร้อนจากธรรมชาติ มันทำให้โลกของเราร้อนขึ้นจากระยะทางหนึ่งร้อยห้าสิบล้านกิโลเมตร ความเข้มของรังสีดวงอาทิตย์ซึ่งบันทึกไว้เป็นเวลาหลายปีและโดยสถานีต่างๆ ที่ตั้งอยู่ในส่วนต่างๆ ของโลก มีค่าประมาณ 1.37 W/m2.

มันคือพลังงานของดวงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์โลก ขณะนี้ จิตใจจำนวนมากกำลังยุ่งอยู่กับการพยายามหาวิธีใช้งานที่มีประสิทธิภาพที่สุด ตอนนี้เรารู้จักแผงโซลาร์เซลล์ที่สามารถให้ความร้อนแก่อาคารที่พักอาศัยและให้พลังงานสำหรับความต้องการในชีวิตประจำวันได้

กำลังปิด

โดยสรุป ผู้อ่านสามารถนิยามการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีได้แล้ว อธิบายปรากฏการณ์นี้ในชีวิตและธรรมชาติ พลังงานแผ่รังสีเป็นลักษณะสำคัญของคลื่นพลังงานที่ส่งผ่านในปรากฏการณ์ดังกล่าว และสูตรที่แสดงไว้แสดงวิธีการคำนวณ ในตำแหน่งทั่วไป กระบวนการเองนั้นเป็นไปตามกฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ และสามารถมีได้สามรูปแบบ ขึ้นอยู่กับลักษณะของมัน: ฟลักซ์ของรังสีตกกระทบ การแผ่รังสีของประเภทและการสะท้อนของมันเอง ดูดซับและส่งผ่าน