انتقال گرما به روش تابش

انتقال انرژی از یک جسم گرم‌تر به یک جسم سردتر گرما نامیده می‌شود. به عنوان مثال، یک کبریت روشن (شیئی با دمای بالاتر) گرما را به یک تابه بزرگ پر از آب ولرم (شیئی با دمای پایین‌تر) منتقل می‌کند. توجه داشته باشید که مقدار واقعی انرژی گرمایی هر جسم مهم نیست، زیرا ظرف آب ولرم ممکن است انرژی گرمایی بیشتری نسبت به کبریت داشته باشد. آنچه برای انتقال گرما لازم است، اختلاف دما بین دو جسم است و بدون آن هیچ انتقال گرمایی انجام نمی‌شود. انتقال گرما به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. در این مقاله قصد داریم انتقال گرما به روش تابش را مورد بررسی قرار دهیم؛ با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید.

انواع روش های انتقال گرما

گرما را می توان به سه طریق انتقال داد: رسانایی، همرفت و تابش.

رسانایی انتقال انرژی با تماس مستقیم از یک مولکول به مولکول دیگر است. این انتقال زمانی اتفاق می افتد که مولکول ها به یکدیگر برخورد می کنند، شبیه به بازی ای که در آن یک توپ متحرک به توپ دیگر برخورد می کند و باعث حرکت دومی می شود. رسانایی در جامدات، مایعات و گازها انجام می شود، اما در موادی که مولکول های ساده ای دارند که نزدیک به هم قرار می گیرند، بهترین کارایی را دارد. به عنوان مثال، فلز رسانای بهتری نسبت به چوب یا پلاستیک است.

همرفت عبارت است از حرکت گرما توسط سیالی مانند آب یا هوا. سیال (مایع یا گاز) از مکانی به مکان دیگر حرکت می کند و گرما را همراه با خود منتقل می کند. این حرکت توده ای از آب یا هوای گرم شده، جریان نامیده می شود.

تابش انتقال گرما توسط امواج الکترومغناطیسی می باشد. وقتی زیر خورشید می ایستید، توسط امواج الکترومغناطیسی، عمدتاً تابش مادون قرمز (و تا حدی نور مرئی) که از خورشید به زمین می رود، گرم می شوید. علاوه بر خورشید، لامپ ها، اتوها و توسترها نیز گرما را از طریق تشعشع منتقل می کنند. توجه داشته باشید که برخلاف رسانش یا همرفت، انتقال حرارت توسط تابش به هیچ ماده ای برای کمک به انتقال نیاز ندارد. با انتقال گرما به روش تابش، می توانیم بفهمیم که یک ذره می تواند انرژی گرمایی خود را از دست بدهد، حتی اگر آن را در خلاء قرار دهیم. در این مقاله انتقال گرما به روش تابش مورد بررسی قرار می گیرد.

درک مفهوم انتقال گرما برای حل مسائل مختلف بسیار مفید است. با مجموعه آموزش حرارت و سیالات فرادرس ضمن یادگیری تئوری ها و مفاهیم، می توانید با مثال ها و کاربردهای آن نیز آشنا شوید.

تابش و طیف الکترومغناطیسی

برای درک انتقال گرما به روش تابش، باید اصول کار طیف الکترومغناطیسی را درک کنیم. در طیف الکترومغناطیسی، انواع مختلفی از امواج پرتوها وجود دارد. طبقه بندی و تفاوت امواج با توجه به مکان آنها در طیف انجام می‌شود. بنابراین، طول موج بسیار مهم است. طیف الکترومغناطیسی با امواج فرابنفش شروع می‌شود. امواج مادون قرمز کوتاه‌ترین طول موج و بالاترین ظرفیت حمل انرژی را دارند. در اطراف امواج مادون قرمز، پرتوهای گاما و اشعه ایکس بیشترین انرژی و کوتاه‌ترین طول موج را دارند. به طور کلی، واکنش‌های هسته‌ای، پرتوهای گاما ایجاد می‌کنند. و همچنین، ما می‌توانیم اشعه ایکس را با بمباران فلزات با الکترون تولید کنیم. طیف الکترومغناطیسی نیز دارای طیف نور مرئی است. چشم انسان می‌تواند این طیف را به عنوان رنگ حس کند. این طیف با نور آبی شروع می‌شود و با نور قرمز به پایان می‌رسد. طیف کل بین 0.40 تا 0.76 میکرومتر است. پس از بخش مرئی طیف، طیف مادون قرمز شروع می‌شود. این امواج تابشی کمترین انرژی، اما بیشترین طول موج را دارند. به طور کلی از این نوع امواج برای انتقال اطلاعات بین بردهای بلند استفاده می‌کنیم. تابش خورشید نیز شامل انواع مختلفی از امواج از طیف الکترومغناطیسی است.

تابش گرمایی

پس از درک اصول کلی طیف الکترومغناطیسی، می‌توانیم به پدیده تابش گرمایی بپردازیم. با امواج الکترومغناطیسی، اجسام به دلیل دمایشان عموماً تابش گرمایی ساطع می‌کنند. تمام اجسام در صورتی که دمای آنها بالاتر از صفر مطلق باشد، تابش‌های گرمایی را تا حدی جذب می‌کنند. برای مثال دمایی که از خورشید می آید به دلیل تابش گرمایی است. با همرفت یا رسانایی، گرمای خورشید نمی تواند به سطح زمین برسد. تابش گرمایی در قسمتی از طیف الکترومغناطیسی می‌افتد و طول موج آن بین 1/0 تا 100 میکرومتر است.

اجسام سیاه در انتقال گرما به روش تابش

اجسام سیاه مفروضات تئوری بسیار مهمی در انتقال گرما به روش تابش هستند. زیرا آنها اجسامی هستند که تمام تابش‌های گرمایی که به آنها می‌رسد را جذب می‌کنند. و همچنین، اجسام سیاه ساطع کننده تابش گرمایی ایده آل هستند. بنابراین، هیچ جسمی وجود ندارد که مانند اجسام سیاه تابش ساطع کند. علاوه بر این، هیچ جسمی بهتر از اجسام سیاه وجود ندارد که تابش را بهتر جذب کند. همان‌طور که از نام آن مشخص است، اجسام سیاه با چشم غیر مسلح سیاه به نظر می‌رسند. همچنین، اجسامی که تمام تابش‌های گرمایی که به آنها می‌رسد را منعکس می‌کنند، برای ناظر سفید به نظر می‌رسند. اما لازم است بگوییم که در مورد میزان سیاهی و سفیدی اجسام نمی‌توان ارزیابی کرد.

قانون استفان بولتزمن برای انتقال گرما به روش تابش

مکانیسم‌های انتقال گرما دارای فرمول‌هایی هستند که به شدت در طراحی‌های مهندسی سیستم‌های گرمایی استفاده می‌شود. انتقال گرما به روش تابش نیز فرمولی دارد که به آن قانون استفان بولتزمن می گویند. با قانون استفان بولتزمن، حداکثر نرخ تابشی که از یک سطح ساطع می‌شود محاسبه می‌گردد. در زیر فرمول استفان بولتزمن آمده است:

در این فرمول، "σ" ثابت استفان بولتزمن است که برابر با W/m².k⁴ 10^-8 × 670/5 می باشد. "A_s" مساحت سطحی است که حداکثر تابش در آن محاسبه می شود. "T_s" حداکثر دمای سطح است. این فرمول تابش گرمایی برای تابش جسم سیاه است و حداکثر انرژی است که یک جسم سیاه می تواند ساطع کند.

قوانینی در مورد انتقال گرما به روش تابش

در ادامه اطلاعاتی در مورد تابش گرمایی برای درک اصول کلی بیان می شود.

اولاً، تابش گرمایی کل با افزایش طول موج تابش افزایش می یابد. از سطحی به بعد، تابش به اوج خود می رسد و با افزایش طول موج شروع به کاهش می کند. همچنین با افزایش دمای بدن، انتقال گرمای کل تابشی افزایش می یابد. به خورشید فکر کنید! خورشید انرژی گرمایی خود را با انتقال گرما به روش تابش در مسافت 150 میلیون کیلومتری ارسال می کند. علاوه بر این، با افزایش دما، طول موج کل تابش گرمایی کاهش می یابد. زیرا طول موج های کوتاه تر در حمل انرژی بهتر هستند. برای حمل انرژی های گرمایی بالاتر، طول موج ها باید کوتاه تر باشند.

انتشار در تابش گرمایی

انتشار یک اصطلاح بسیار مهم در محاسبات تابش گرمایی است. ما از این پارامتر در محاسبات برای اشیاء مختلف استفاده می کنیم. انتشار نسبت تابش گرمایی یک جسم به جسم سیاه در دما و طول موج مشخص است. بنابراین، از این ایده می‌ توان برای دانستن اینکه چقدر یک جسم به یک جسم سیاه نزدیک است، استفاده کرد. این مقدار بین 0 و 1 است. اگر انتشار 1 باشد، به این معنی است که یک جسم سیاه است. همچنین اگر میزان انتشار 0 باشد، جسم یک جسم کاملاً سفید است. بنابراین، مجموع تابش گرمایی 0 است که کاملاً غیرممکن است. در طبیعت، هیچ جسم کاملاً سیاه یا جسم کاملاً سفید وجود ندارد که انرژی گرمایی را به طور کامل منعکس یا جذب کند.

انتشار جهت دار

انتشار جهت دار نوعی انتشار است که در یک جهت خاص و دمای خاص محاسبه می شود. زیرا تابش اجسام می تواند با توجه به جهت های محاسباتی تغییر کند. بنابراین، برای برخی از محاسبات، استفاده از مقادیر انتشار جهت دار، می تواند درست تر باشد. می‌توان گفت که تابش جهت دار، نسبت بین انتشار تابش بین اجسام سیاه و اشیاء است.

قابلیت جذب در تابش گرمایی

قابلیت جذب یک اصطلاح بسیار مهم در محاسبات انتقال گرما به روش تابش است. به طور کلی به جای انتشار از قابلیت جذب استفاده می شود. جذب پذیری توانایی جذب تابش گرمایی توسط یک جسم است. به طور کلی این توانایی با تناسب کل تابش های گرمایی وارد شده به بدن به کل تابش گرمایی که این جسم از آن جذب می کند، محاسبه می شود. قابلیت جذب نیز مقداری بین 0 تا 1 دارد. جذب 0 به این معنی است که بدن هیچ گونه انتقال گرما به روش تابش را جذب نمی کند. قابلیت جذب 1 به این معنی است که بدن به طور کامل تابش گرمایی را مانند یک جسم سیاه جذب می کند.

بازتاب

بازتاب نیز اصطلاح دیگری است که برای اجسامی که انتقال گرما به روش تابش را انجام می دهند استفاده می کنیم که نسبت تابش گرمایی است که یک جسم کل انتقال گرمایی به روش تابش را منعکس می کند. بنابراین، عامل بسیار مهمی در ارزیابی اجسام است. بازتاب نیز مقادیری بین 0 و 1 می گیرد. بنابراین، اگر بازتابش مقدار 0 را بگیرد، جسم هیچ تابش گرمایی را که به آن وارد می شود، منعکس نمی کند. و اگر بازتابش 1 باشد، کل تابشی که به یک جسم می‌آید مانند یک جسم سفید منعکس می شود.

قابلیت انتقال

انتقال پذیری یا قابلیت انتقال نسبت انتقال کل تابش گرمایی به کل تابش های وارد شده به جسم است. اگر مقدار آن 1 باشد، تمام تابش های گرمایی وارد شده توسط جسم منتقل می شود. و همچنین، اگر مقدار آن 0 باشد، گرما به روش تابش توسط جسم منتقل نمی شود.

گازها در تابش حرارتی

گازها دارای خصوصیات بسیار متفاوتی بر روی تابش‌های گرمایی هستند. مهم‌ترین ویژگی گازها در انتقال گرما به روش تابش، انتشار و جذب تابش‌های گرمایی به صورت حجمی است. برای جامدات، به دما و بازتاب و قابلیت جذب سطح اجسام فکر می‌کنیم. اما در گازها باید این مقادیر را در تمام حجم‌ها در نظر بگیریم. واقعیت مهم دیگر این است که گازها تابش‌های گرمایی را در طیف بسیار باریکی ساطع و جذب می‌کنند. آنها مانند اجسام جامد در همه طیف‌ها انتشار را انجام نمی‌دهند. بنابراین، برای محاسبه تابش گرمایی گازها به یک رویکرد بسیار متفاوت نیاز داریم. همچنین برای محاسبه دقیق تابش گرمایی باید دما، فشار و گازهای تشکیل دهنده را بدانیم.

اثر گلخانه ای تابش گرمایی

توصیف اثر گلخانه ای از نظر انتقال گرما به روش تابش بسیار مهم است. جذب تابش های گرمایی به طور کلی منجر به این مشکل اثر گلخانه ای می شود. اثر گلخانه ای در جهان نگران کننده است.

به عنوان مثال، فضای داخلی ماشین‌ها را در نظر بگیرید که وقتی آن را زیر نور خورشید می‌گذارید دمای آن بسیار بالا می‌رود. زیرا انرژی گرمایی که از خورشید می‌آید در داخل خودرو محبوس می‌شود. تابش‌های گرمایی به دلیل قابلیت انتقال، از شیشه به داخل خودرو می‌رسد و به دلیل بازتابش در داخل خودرو گیر می افتد. بنابراین دمای داخل ماشین در مقایسه با بیرون بسیار زیاد است. به این امر نیز اثر گلخانه‌ای می گوییم. گلخانه‌ها نیز نمونه‌های بسیار مهمی هستند. کشاورزان یک گلخانه را با استفاده از موادی با قابلیت انتقال بالا و بازتاب زیاد مانند فضاهای سرپوشیده نایلونی شفاف می‌سازند. بنابراین انرژی گرمایی خورشید به این فضای نایلونی وارد می‌شود و می‌گذرد. بخشی از تابش گرمایی در داخل این فضا محبوس می‌شود و دمای آن افزایش می‌یابد. کشاورزان از این اثر برای پرورش سبزیجات و گیاهانی استفاده می‌کنند که رشد آنها در زمستان یا محیط‌های سرد غیرممکن است.

محیط زیست و گرمایش جهانی

اثر گلخانه‌ای بر روی زمین بسیار مهم است. بخشی از تابش‌های گرمایی خورشید در طول روز در داخل جو به دام می افتد. این به دام افتادن عموماً به دلیل دی اکسید کربن و رطوبت موجود در هوا است. زمین به دلیل وجود این گازها نمی‌تواند تابش گرمایی اضافی را در شب منعکس کند. به طور معمول، در طول شب، زمین این انرژی گرمایی را به فضا می‌تاباند. اما به دلیل دی اکسید کربن بیش از حد و سایر گازهای گلخانه‌ای، تابش گرمایی در جو محبوس می‌شود. این موضوع از نظر محیط زیستی بسیار نگران کننده است. به دلیل این اثرات، جو گرم‌تر و گرم‌تر می‌شود. بنابراین، باید انتشار کربن را کاهش دهیم. مطالعات و کارهای بسیار بزرگی برای کاهش استفاده از سوخت‌های فسیلی در زمینه‌های مختلف برای کاهش انتشار کربن انجام شده است.

کلام آخر در مورد انتقال گرما به روش تابش

یادگیری مفاهیم انتقال گرما به درک مباحث دیگری مانند انرژی نیز کمک می کند. با تدریس اساتید مجرب فرادرس می توانید مبحث انتقال گرما به روش تابش و مفاهیم مرتبط با آن را فرا بگیرید.