Fizika | Tanulmányok, esszék » Sári Zoltán - A Hősugárzás

HŐSUGÁRZÁS: középiskolai kiselőadás. Készítette: Sári Zoltán mérnöktanár 2003 december A HŐSUGÁRZÁS Hősugárzás más szóval radiáció (latinosan radiatio) pl.: radiátor A hő 3 feleképpen terjedhet. Vezetéssel, sugárzással, és áramlással Vezetés, amikor egy fém rúd egyik végét melegítjük, és fokozatosan a másik vége is felmelegszik. Áramlás, amikor a molekulák viszik magukkal a hőt. Meleg nyári napon a levegő felszáll Sugárzással: A hő elektromágneses hullámként terjed. (Az elektromágneses hullámokról függvénytáblázat 194. oldalán találsz összefoglalót 308 oldalas új típus.) Szokás infravörös sugárzásnak is nevezni A sugárzás akkor alakul át részben, vagy egészében hőenergiává, ha valamilyen anyagba ütközik. Az egyes elektromágneses hullámokat hullámhosszuk (λ) vagy frekvenciájuk – rezgésszámuk – (f, vagy ν) alapján különböztetjük meg egymástól. A kettő összefügg egymással Ez a

hullámtan alaptörvénye: c = λ∙f; elektromágneses hullámok esetén c = 3∙10 8 m/s a fény sebessége vákuumban. Azon elektromágneses sugárzásokat nevezzük hősugárzásnak, melyek frekvenciája ∙10 5 11 1/s – tól 3,7∙1014 1/s – ig terjed. Hullámhosszban kifejezve: 600 µm – től 811 nm – ig (1µm = 10-6 m; 1nm = 10-9 m) Hősugárzással kapcsolatos törvényeket, jelenségeket XIX. sz végén fedezték fel A tudósok készítettek egy üreges gömböt átlátszatlan anyagból pici réssel. A gömbből gyakorlatilag nem tud fény kijutni. Ezt abszolút fekete testnek is nevezik Az üregből ennek ellenére jön ki elektromágneses sugárzás, melynek energiája csak a rés területétől és az üreg hőmérsékletétől függ. Ez a HŐSUGÁRZÁS Általában egy „meleg” test által időegység alatt kisugárzott HŐÁRAMOT (energiát) a Stefan-Boltzmann törvénnyel írjuk le: H = ε∙σ∙A∙T4 • • • • • H a hőáram (Watt; W = J/s);

Komolyabb szakkönyvek Φ - vel jelölik. σ a Stefan-Boltzmann állandó értéke = 5,67∙10-8 (W/m2∙K4) ε a kisugárzási tényező 0 és 1 közötti szám. Abszolút fekete test esetén ε = 1; tökéletesen visszaverő tükör esetén ε = 0. A a sugárzó felület nagysága (m2) T az abszolút hőmérséklet (K) Stefan-Boltzmann törvény szerint egy test addig sugároz ki magából hőt, míg hőmérséklete el nem éri az abszolút 0 K fokot. 0 K = -273,15 oC Ez azért nem történik meg, mert a test közben hőt nyel el. Tábortűznél ülve hasunk sok hőt nyel el, forró lesz, hátunk sok hőt ad le, hideg lesz. A Hold napos oldala sok hőt nyel el +130 oC – ra melegszik, árnyékos Értéke: 500Ft 1 HŐSUGÁRZÁS: középiskolai kiselőadás. Készítette: Sári Zoltán mérnöktanár 2003 december oldala sok hőt ad le – 150 oC – ra hűl. A testek kisugárzási képessége arányos elnyelőképességükkel Ha egy test sok hőt képes elnyelni, akkor sokat

tud kisugározni Eszkimók ruhája és a jegesmedve bundája nem azért fehér, hogy ne nyeljen el hőt – amúgy sincs miből elnyelni – hanem azért, hogy ne sugározza ki a test melegét. Hősugárzás hullámhossz szerinti eloszlása: HŐSUGÁRZÁS I (W/m) 3,0E+10 2,5E+10 2,0E+10 1,5E+10 1,0E+10 5,0E+09 0,0E+00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 HULLÁMHOSSZ (MIKROMÉTER) 1200 K 1100 K 1000 K 900 K 800 K I: a sugárzás intenzitása A fekete test a hősugárzás teljes hullámhossztartományában sugároz. Színképe folytonos. Egy görbe egy adott hőmérsékletnek felel meg Nevezik Planck-féle hősugárzásintenzitási görbéknek is A Stefan-Boltzmann törvény szerint számolt sugárzási energia az adott hőmérséklethez tartozó görbe alatti területnek feleltethető meg. (Ezt egyetemi matekkal – integrálással - lehetne szebben kifejezni, kiszámolni). Wien – féle eltolódási törvény: Vegyük észre, hogy minden görbének van maximuma, továbbá ezek e

maximumok növekvő hőmérséklet esetén a kisebb hullámhosszak felé tolódnak el. A hullámhossz és a hőmérséklet között fordított arányosság van Képletben: T∙λmax = 0,002896 K∙m A Wien – törvény alapján a testek hőmérsékletét hősugárzásuk – színképük – mérésével is meg lehet határozni. A módszert közvetlenül nem mérhető testek esetén használják Pl: csillagok vagy izzó folyékony vas hőmérsékletének mérésére. A sárgán izzó vas melegebb, a vörös hidegebb. Értéke: 500Ft 2 HŐSUGÁRZÁS: középiskolai kiselőadás. Készítette: Sári Zoltán mérnöktanár 2003 december Wien - törvény hullámhossz (mikrométer) 14 12 10 8 6 4 2 T (K) 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 A hősugárzás keletkezéséről: A sugárzási görbéket pontosan leíró képletet Max Planck atomfizikus fedezte fel 1900 decemberében. Valójában a Planck állandó értékének (h = 6,626∙ 10-34 J∙s) első pontos

meghatározása is a hősugárzáshoz kapcsolódik. Max Planck által megalkotott hőmérsékleti sugárzás elmélete egyben a kvantummechanika kezdetét is jelenti. Gerjesztett (meleg) atomok/molekulák elektronjai magasabb energiájú atompályákon/molekulapályákon helyezkednek el. Az elektronok úgy juthatnak vissza alapállapotú pályáikra, hogy közben a két pálya közti energiakülönbséget (∆E) hő, fény, UV sugárzás formájában kisugározzák. ∆E = h∙f Közben az anyag lehűl. Az atom és molekulapályák energiája, így a köztük lévő különbség is pontosan meghatározott érték. Ez vonalas színképet adna Gőzök és gázok fény és hősugárzási színképe vonalas, szilárd anyagok folytonos színképének magyarázatát majd az egyetemi kémiában tanulod. Megjegyzések, kiegészítések: Jelöljük most a hőáramot inkább szakszerűen Φ (W = J/s) - vel. Ha egy test energiát kap hősugárzás útján, akkor egy részét elnyeli

(abszorbeálja: ΦA) , egy részét átereszti (diatermia: ΦD), a maradékot visszaveri(reflektálja: ΦR). • Elnyelőképesség: A = ΦA/Φ • Áteresztőképesség: D = ΦD/Φ • Visszaverőképesség: R = ΦR/Φ Kirchhoff I. törvénye szerint: A + D + R = 1 Hőáram formában felírva: Φ = ΦA + ΦD + ΦR Értéke: 500Ft 3 HŐSUGÁRZÁS: középiskolai kiselőadás. Készítette: Sári Zoltán mérnöktanár 2003 december Az abszolút fekete test az összes beérkező sugárzást elnyeli. A = 1; D = R = 0; Az abszolút fehér test az összes ráeső sugárzást visszaveri. R = 1; A = D = 0; Nevezik tükröző testnek, tükörnek is. A diatermikus anyagok a hősugárzást teljes egészében átengedik. D = 1; A = R = 0; Egy szilárd test általában átlátszatlan. D = 0; A = 1 – R; A testek kisugárzó (emissziós) képességének (ε) meghatározása: E = dΦ/dA (W/m2); a testek sugárzóképessége. Megadja a test által abszolút 0 K fokon egységnyi

felületen időegység alatt a teljes hullámhossztartományban kisugárzott hőenergiát. (A hősugárzási grafikon függőleges tengelyén ábrázolt I0 = dE/dλ.) Valós „szürke” testek sugárzóképességét Kirchhoff II. törvénye írja le: Egy valóságos test sugárzóképességének (E) és sugárelnyelő képességének (A) hányadosa állandó. Értéke csak a hőmérséklettől függ E E0 = = áll. A A0 A 0 index az abszolút 0 K hőmérsékletre utal. Átrendezve: ε= E A = E0 A0 ε - t feketeségi foknak nevezzük. Értékét meghatározhatjuk a sugárzási tényezők segítségével is: C C0 ε= C a szürke, C0 a fekete test sugárzási tényezője. C0 = 5,77 ⋅ W  K  m    100  4 2 Ez a felírási mód a Stefan-Boltzman törvény műszaki gyakorlatban használatos alakjából következik: 4 4  T   T  E0 = C 0 ⋅   ;  ; E = C ⋅  100   100  A leggyakoribb ipari nemfémes és festett fémes

felületre: ε ≅ 0,9; Fényes alumínium, és réz felületekre: ε ≅ 0,03; Értéke: 500Ft 4 HŐSUGÁRZÁS: középiskolai kiselőadás. Készítette: Sári Zoltán mérnöktanár 2003 december Felhasznált irodalom: 1. 2. 3. 4. 5. Tomcsányi Péter: FIZIKA Optika, hőtan tankönyv Műszaki könyvkiadó 2000 Tomcsányi Péter: FIZIKA Modern fizika tankönyv Műszaki könyvkiadó 2000 Négyjegyű függvénytáblázatok Nemzeti Tankönyvkiadó 1998 Dr. Beke János: Műszaki hőtan mérnököknek mezőgazdasági Szaktudás Kiadó Bp 2000 Fonyó Zsolt – Fábry György: Vegyipari Művelettani Alapismeretek Nemzeti Tankönyvkiadó Bp. 1998 Értéke: 500Ft 5