Soojuskiirgus: erinevus redaktsioonide vahel
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
P robot lisas: no:Varmestråling |
Resümee puudub |
||
1. rida:
[[Image:Wiens law.svg|300px|thumb|right|Joonis näitab kuidas lainepikkuse haripunkt ja kogu kiiratud energia muutub temperatuuri muutudes [[Wien'i nihkeseadus]]e kohaselt. Kuigi joonisel on tegemist kõrgete temperatuuridega, kehtib see ka madalamate jaoks. Nähtav valgus on 380 ja 750nm vahel.]]
[[Image:Hot metalwork.jpg|250px|thumb|right|Näide soojuskiirgusest. Kuum metall on piisavalt kõrge temperatuuriga, et olla nähtav inimese silmale.]]
'''Soojuskiirgus''' on laetud osakeste [[soojusliikumine|soojusliikumise]] tõttu tekkiv [[elektromagnetiline kiirgus]]. Kõik ained, mis on [[absoluutne null|absoluutsest nullist]] kõrgema [[temperatuur|temperatuuriga]] eraldavad soojuskiirgust. See on üks [[soojusülekanne|soojusülekande]] vormidest (lisaks [[soojusjuhtivus]]ele ja [[konvektsioon]]ile).
Soojuskiirguse näideteks on [[hõõglamp|hõõglambist]] eralduv [[nähtav valgus]], loomadelt eralduv [[infrapuna]] valgus ja [[kosmiline mikrolaine-taustkiirgus]]. Soojuskiirgus erineb [[soojusjuhtivus]]est ja [[konvektsioon]]ist -- lõkke lähedal olev inimene tunneb lõkkest tulevat soojuskiirgust, isegi siis kui ümbritsev õhk on väga külm.
[[Päikesevalgus]] on kuuma [[päike]]se poolt kiiratav soojuskiirgus. Ka [[Maa]] eraldab soojuskiirgust, kuid madalama temperatuuri tõttu, on see märksa madalama intentsiivsuse ja erineva [[Elektromagnetlainete spekter|spektrijaotusega]]. Maa temperatuuri mõjutavad kõige rohkem päikesekiirguse neeldumine ning samas ka Maa poolt ära kiiratav soojuskiirgus.
Kui elektromagnetlaineid kiirgav keha on samade omadustega nagu [[soojuslik tasakaal|soojuslikus tasakaalus]] olev [[absoluutselt must keha]], siis kutsutakse seda musta keha kiirguseks.<ref>K. Huang, ''Statistical Mechanics'' (2003), p.278</ref> [[Plank'i seadus]] kirjeldab musta keha kiirguse spektrit, mis on sõltuv keha temperatuurist. [[Wien'i nihkeseadus]] määrab kõige tõenäoseima
kiirguse sageduse ja [[Stefan-Boltzmanni seadus]]e abil saame leida pealelangeva valguse kiiritusustiheduse.<ref>K. Huang, ''Statistical Mechanics'' (2003), p280</ref>
== Ülevaade ==
Soojuskiirgus on [[absoluutne null|absoluutsest nullist]] kõrgemal temperatuuril olevate kehade poolt kiiratav [[elektromagnetiline kiirgus]].<ref name=blundell>{{cite book
|author=S. Blundell, K. Blundell
|title=Concepts in Modern Physics
|isbn=978-0-19-856769-1
|year=2006
|publisher=Oxford University Press
|page=247
}}</ref>
See on [[soojusenergia]] muundumine [[elektromagnetiline energia|elektromagnetiliseks energiaks]]. [[Soojusenergia]] on aatomite ja molekulide juhusliku liikumise kineetilise energia keskmine. Aatomid ja molekulid koosnevad laetud osakestest, näiteks [[prooton]]itest ja [[elektron]]idest ning nende ostsilleerimine tekitab elektri- ja magnetvälja. Selle tulemusena kiiratakse [[footon]]eid, mis vähendavad keha entroopiat ja energiat. Elektromagnetiline kiirgus ei vaja aine olemasolu ning saab [[vaakum]]is liikuda lõpmatult kaugele, kui teele ei jää ühtegi takistust.
Soojuskiirguse omadused sõltuvad mitmetest erinevatest aine omadustest - aine pinnast, temperatuurist, [[neelamisvõime|neelamis-]] ja [[kiirgamisvõime]]st. <ref name=blundell/> Kiirgus ei ole monokromaatiline, see tähendab, et see ei koosne sama sagedusega lainetest, vaid erinevate sagedustega komponentidest, mis moodustavad ainele iseloomuliku spektri. Kui kiirgav keha ja selle välispind on soojuslikus tasakaalus ja pind neelab kogu pealelangeva valguse, siis on tegemist [[absoluutselt must keha|musta kehaga]]. Must keha on ideaalne kiirgur. Keha ja musta keha neelduvuse suhe on keha neelamisvõime ning seega on musta keha neelamisvõimeks üks
Neelduvus, peegelduvus ja kiirgavus on kõik sõltuvad kiirguse lainepikkusest. Temperatuur määrab elektromagnetilise kiirguse lainepikkuste jaotuse. Näiteks värske lumi, mis on väga suure peegelduvusega (0.90), tundub valge peegelduva päikesevalguse tõttu, mille lainepikkuse haripunkt on umbes 500 nanomeetrit. Selle kiirgavus -5 °C juures on aga 0,99, lainepikkuse haripunktiga 12 mikromeetrit.
Musta keha kiirguse jaotus sageduste järgi on kirjeldatud [[Plank'i seadus]]ega. Iga temperatuuri juures on olemas sagedus ''f<sub>max</sub>'', mille juures on kiiratav võimsus kõige suurem. Wien'i nihkeseaduse abil saame, et sagedus ''f<sub>max</sub>'' on võrdeline musta keha temperatuuriga ''T''. Päikese [[fotosfäär]], mille temperatuur on umbes 6000 K, kiirgab enamus valgust elektromagnetilise spektri nähtavas piirkonnas. Maa atmosfäär on vaid osaliselt läbipaistev nähtavale valgusele ning maapinnale jõudev valgus kas neelatakse või peegeldatakse. Maapind
kiirgab elektromagnetlaineid, mille spekter vastab musta keha kiirgurile temperatuuriga umbes 300 K.
Majapidamises kasutusel olevad [[hõõglamp]]ide spekter katab nii päikese kui ka maa musta keha spektrit. Osad hõõglambist eralduvad footonid asuvad nähtavas spektris, kuigi enamus neist on seotud pikemate, infrapuna, lainepikkustega. Infrapunast kiirgust me küll ei näe, kuid tunneme seda soojuse näol. Elektromagnetlainete kiirgamisel ja neeldumisel toimub soojusülekanne.
Erinevalt konduktiivsest ja konvektsioonilisest soojusülekandest, saab soojuskiirgust koondada peeglite abil üheks väikeseks punktiks, mida kasutatakse näiteks päikese energia koondamiseks. Peeglite asemel võib soojusvoo koondamiseks kasutada [[fresneli lääts]]esid. Mõlema meetode abil on võimalik kiirelt päikese abil vett aurutada. Näiteks on võimalik päikese abil kuumutada vett 285 °C juurde.
===Kattepinna efektid===
Heledamad värvid ja metallilised ained neelavad vähem pealelangevat valgust ning seega ei soojene need nii hästi. Üldiselt aga pinna värvus tavamaailmas kehade vahelisel soojusülekandel väga suurt rolli ei mängi, sest kiiratud footonid asuvad enamasti infrapunases piirkonnas, mitte nähtavas. Nendel lainepikkustel on kiirgusel vähe tegemist nähtava valguse kiirgusvõimega; infrapunases piirkonnas on enamus objekte kõrge kiirgusvõimega. Seega, välja arvatud päikesevalguse käes, ei oma riiete värvuse valik soojuse mõttes vahet.
Erandjuhuks on läikivad metallpinnad, millel on madal kiirgusvõime nii nähtavas kui ka infrapunases keskkonnas. Selliseid pindu saab kasutada soojusülekande vähendamiseks kahes suunas. Üheks näiteks sellest on mitmekihiline isoleermaterjal, mida kasutatakse kosmosesõidukite soojustamisel.
Keerukam tehnoloogia on madala kiirgusvõimega majade aknad, sest need peavad olema lisakas madalale kiirgusvõimele suure spektriala ulatuses ka läbipaistvad nähtavale valgusele.
==Omadused==
Soojuskiirgusel on neli põhiomadust, mis seda iseloomustavad:
*Keha poolt juhuslikul temperatuuril eralduv soojuskiirgus koosneb laiast sagedusspektrist. Ideaalse kiirguri sagedusjaotus on antud [[Plank'i seadus|Planck'i musta keha kiirguse seadusega]].
*Keha temperatuuri tõustes nihkub kiiratav sagedusvahemik kõrgemate sageduste poole. Näiteks, ''tulipunane'' keha kiirgab kõige enam nähtava valguse pikemaid lainepikkus (punane ja oranž). Kui antud keha veel rohkem kuumutada, siis ta hakkab eraldama rohkem ka rohelist ja sinist valgust muutudes seega inimsilma jaoks valgeks. Kuid isegi sellise 2000 K temperatuuriga keha puhul, asub enamus kiiratavast energiast endiselt infrapuna piirkonnas. Seda omadust iseloomustab [[Wien'i nihkeseadus]].
*Kiirgustugevus kasvab temperatuuri kasvates järsult; see kasvab ''T''<sup>4</sup>, kus ''T'' on keha absoluutne temperatuur. Keha, mille temperatuur on võrdne elektriahju omaga, mis on umbes kaks korda suurem kui toatemperatuur Kelvini skaalas, kiirgab 16 korda rohkem energiat ühikulise pindala kohta. Keha, mille temperatuur on hõõgniidiga võrdne--umbes 3000 K, ehk 10 korda rohkem, kui toatemperatuur, kiirgab 10 000 korda rohkem energiat ühikulse pindala kohta. Musta keha kiirgusintensiivsus on võrdeline temperatuuri neljanda astmega, kus T on antud Kelvini skaalas. Seda iseloomustab [[Stefan-Boltzmanni seadus]].
*Keha poolt eraldatav soojuskiirguse hulk on võrdeline sama keha poolt neelatava kiirguse hulgaga. Seega keha, mis neelab rohkem punast valgust ka kiirgab enim punast valgust. See printsiip kehtib kõigile lainete omadustele, kaasa arvatud [[lainepikkus]] (värv), suund, [[polarisatsioon]] ja isegi [[koherentsed lained|koherentsus]]. Seega on võimalik, et kehast eraldub suunatud koherentne polariseeritud soojuskiirgus, kuigi polariseeritud ja koherentne kiirgus on looduses väga haruldane.
Need omadused kehtivad siis, kui vaatleme vahemaid, mis on palju suuremad vaadeldava spektri lainepikkustest.
{| class="wikitable" border="1"
|-
! °C
! Subjektiivne värvus [http://cc.oulu.fi/~kempmp/colours.html]
|-
| 480
| nõrk punane kuma
|-
| 580
| tumepunane
|-
| 730
| helepunane, kergelt oranžikas
|-
| 930
| ere oranž
|-
| 1100
| kahvatu kollakas oranž
|-
| 1300
| kollakas valge
|-
| > 1400
| valge (kollakas kui vaadata läbi atmosfääri)
|}
==Energiavahetus==
Soojuskiirgus on üks põhilisi soojusülekande liike. See on elektromagnetilise kiirguse eraldumine keha temperatuuri tõttu. Soojuskiirguse energiavahetuse vastastikmõju iseloomustab järgmine võrrand:
:<math>\alpha+\rho+\tau=1. \,</math>
kus <math>\alpha \,</math> iseloomustab spektraalse neelduvusvõime komponenti, <math>\rho \,</math> spektraalse peegelduse komponenti ja <math>\tau \,</math> spektraalse ülekande komponenti. Need elemendid on elektromagneetilise kiirguse lainepikkuse (<math>\lambda\,</math>) funktsioonid. Spektraalne neelduvus on võrdne [[kiirgusvõime]]ga <math>\epsilon \,</math>. Seda suhet tundakse kui soojuskiirguse Kirchhoff'i seadust. Keha kutsutakse [[absoluutselt must keha|mustaks kehaks]], kui kõigil sagedustel kehtib valem:
:<math>\alpha = \epsilon =1.\,</math>
Reaalsetes tingimustes kaotab toasoojas inimene märgatava osa energiast soojuskiirguse tõttu. Samas, võidab keha osa kiiratud energiat tagasi neelates soojust konduktsiooni kaudu ümbritsevatelt objektidelt ja [[metabolism]]i käigus eralduvast soojusest. Inimnaha kiirgavus on üsna lähedale ühele.<ref>{{cite journal |journal=Science |date=24 May 1963 |volume= 140 |issue= 3569 |pages= 870–877 |title= Thermography of the Human Body Infrared-radiant energy provides new concepts and instrumentation for medical diagnosis |author=R. Bowling Barnes |doi=10.1126/science.140.3569.870 |bibcode = 1963Sci...140..870B }}</ref> Allpool olevaid valemeid kasutades näeme, et inimene, kelle pindalal on umbes 2 ruutmeetrit ja temperatuur 37 [[kelvin|K]], kiirgab pidevalt umbes 1000 vatti. Kuna inimesed on enamasti siseruumides ümbritsetud kehadest temperatuuriga umbes 296 K, siis nad saavad tagasi 900 vatti ning seega on kogu kaotus vaid 100 vatti. Need arvutused on väga umbkaudsed ning sõltuvad erinevatest muutujatest, nagu näiteks riiete kandmine.
Päikese energiat saab efektiivselt kasutada erinevate pindade omaduste tõttu. Näiteks kasvuhooned, mille seinad ja katus tehakse enamasti klaasist. Klaas on läbipaistev nähtavale(umbes 0.4µm<λ<0.8µm) ja lühematele infrapunase piirkonna lainepikkustele, kuid see ei lase läbi pikemate lainepikkustega infrapunakiirgust(umbes λ>3 µm).<ref>Heat and Mass Transfer, Yunus A. Cengel and Afshin J. Ghajar, 4th Edition</ref> Seega laseb klaas läbi nähtavat valgust, kuid ei lase välja kasvuhoones olevate kehade soojuskiirgust. "Lõksu jäänud" kiirgust tunneme me soojusena. Sellist nähtust nimetatakse kasvuhoone efektiks ning seda nähtust tunneme näiteks ka siis, kui istume päikese käes seisnud autosse.
== Viited ==
{{reflist}}
== Vaata ka ==
[[Infrapunakiirgus]]
14. rida ⟶ 98. rida:
<!-- interwiki -->
[[ms:Sinaran terma]]
[[ca:Radiació
[[de:Wärmestrahlung]]
[[el:??????? ???????????]]
[[en:Thermal radiation]]
[[es:Radiación térmica]]
[[hr:Toplinsko_zračenje]]
[[ar:
[[id:Radiasi termal]]
[[it:Radiazione termica]]
[[eo:Termoradiado]]
[[eu:Erradiazio termiko]]
[[ko:
[[nl:Warmtestraling]]
[[ja:
[[no:Varmestråling]]
[[nn:Varmestråling]]
[[pl:Promieniowanie cieplne]]
[[pt:
[[ro:
[[ru:???????? ?????????]]
[[sv:Värmestrålning]]
[[uk:??????? ??????????????]]
[[zh:
| |||