Soojuskiirgus: erinevus redaktsioonide vahel

[[Päikesevalgus]] on kuuma [[päike]]se poolt kiiratav soojuskiirgus. Ka [[Maa]] eraldab soojuskiirgust, kuid madalama temperatuuri tõttu, on see palju väiksema intentsiivsuse ja erineva [[Elektromagnetlainete spekter|spektrijaotusega]]. Maa temperatuuri mõjutavad kõige rohkem päikesekiirguse neeldumine ning samas ka Maa poolt ära kiiratav kiirgus.

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'iPlancki seadus]] kirjeldab musta keha kiirguse spektrit, mis on sõltuv keha temperatuurist. [[Wien'i nihkeseadus]] määrab kõige tõenäoseima

Soojuskiirguse omadused sõltuvad mitmetest erinevatest aineomadustestteguritest - aine pinnast, temperatuurist, [[neelamisvõime|neelamis-]] ja [[kiirgamisvõime]]st. <ref name=blundell/> Kiirgus ei ole monokromaatiline, mis 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 ning pind neelab kogu pealelangeva valguse, siis on tegemist [[absoluutselt must keha|musta kehaga]]. Must keha on ideaalne kiirgur. Tavalise keha ja musta keha neelduvuse suhet kutsutakse neelamisvõimeks ning seega on musta keha neelamisvõimeksneelamisvõime üksvõrdne ühega.

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 haripunktintensiivsus on tugevaim umbes 500 nanomeetritnanomeetri juures. Selle kiirgavus -5 °C juures on aga 0,99, lainepikkusening haripunktigasel juhul kiiratakse maksimaalselt 12 mikromeetritmikromeetri juures.

Musta keha kiirguse jaotus sageduste järgi on kirjeldatud [[Plank'iPlancki seadus]]ega. Iga temperatuuri juures on olemas sagedus ''f_max'', mille juures on kiiratav võimsus kõige suurem. Wien'i nihkeseaduse abil saame, et sagedus ''f_max'' 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 neelatakse või peegeldatakse. Maapind

Majapidamises kasutusel olevad [[hõõglamp]]ide spekter katab nii päikese kui ka maa musta keha spektrit. Osad hõõglambist eralduvaderalduvatest footonidfootonitest asuvad nähtavas spektris, kuigi enamus neist on seotud pikemate, infrapuna, lainepikkustega. Infrapunast kiirgust me küll ei näe, kuid tunneme seda soojusena. 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 meetodi abilmeetodiga on võimalik kiirelt päikese abil vett aurutada. Näiteks on võimalik sellise meetodil kuumutada vett 285 °C juurde.

*Keha poolt juhuslikul temperatuuril eralduv soojuskiirgus koosneb laiast sagedusspektrist. Ideaalse kiirguri sagedusjaotus on antud [[Plank'iPlancki seadus|PlanckPlanc'i musta keha kiirguse seadusega]].

*Kiirgustugevus kasvab temperatuuri kasvatestõustes järsult; see kasvab kui ''T''⁴, 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 ühikulseühikulise pindala kohta. Musta keha kiirgusintensiivsus on võrdeline temperatuuri neljanda astmega, kus T on antud Kelvini skaalas. Seda iseloomustab [[Stefan-Boltzmanni seadus]].

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 kiirguseelektromagnetkiirguse 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:

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 muutujatestteguritest, 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 efektikskasvuhooneefektiks ning seda nähtust tunneme näiteks ka siis, kui istume päikese käes seisnud autosse.