Transferul caldurii prin radiatie

Transferul caldurii prin radiatie

Radiatia este calea de transmitere a caldurii printr-o emisie continua de energie de pe suprafata corpurilor numita energie radianta

Toate corpurile emit continuu energie sub forma de radiatii electromagnetice. Portiunea din spectrul radiatiei electromagnetice asociata transferului de caldura este in domeniul radiatiei infrarosii.

Detectia radiatiei IR se poate face prin conversia radiatiei termice in energia electrica. Acesta este principiul de functionare al unui termocuplu.

Bismutul si antimoniulsunt doua metale ce determinaun efect termoelectric de intensitate apreciabila. A cest fapt le face apte dea fi utilizate ca detector de radiatie calorica.

De exemplu rezistoarele inrosite ale unui radiator electric emit unde luminoase (unde in domeniul vizibil) si unde infrarosii (invizibile, dar perceptibile) ce transporta caldura prin aer.

Deci un radiator electric poate fi o sursa de energie radianta, dar cea mai importanta sursa de energie radianta pentru noi oamenii este Soarele, care prin acest transfer de caldura incalzeste Pamantul. Prin intermediul radiatiei infrarosii circa 1340J de energie patrund pe Pamant in fiecare secunda, pe m² de atmosfera. Energia radianta se propaga cu viteza luminii; radiatia putand fi reflectata, reflectata sau absorbita ca rezultat al transferului caldurii catre materialul absorbant.

Absorbtia radiatiei termice

Se aseaza un radiator electricintre doua foi de cupru: una alba si una neagra, fixate in suporturi, la egala distanta de ele. Pe foile de cupru se fixeaza cu cate un cui bobite de ceara. Dupa ce radiatorul este pus in functiune, ceara de pe foaia neagra se topeste mai repede si cuiul cade.

Se observa cum corpurile de culoare inchisa absorb mai bine caldura decat cele de culoare deschisa.

Ca regula generala, se poate spune despre corpurile bune conducatoare de caldura ca sunt si bune absorbante ale acesteia.

Corpul uman face schimb de caldura cu mediul inconjurator si prin radiatie. Astfel, o senzatie de frig poate fi simtita in apropierea unui perete cu temperatura scazuta.

Schimbul de energie prin radiatie intre suprafete oarecare depinde atat de temperatura acestora cat si de geometria lor (distanta, forma si orientarea suprafetelor). De exemplu, la temperaturi joase, puterea radianta a radiatiei este mica si energia radianta se studiaza inspecial in domeniul lungimilor de unda relativ mari. Pe masura ce temperatura creste, puterea a patra a temperaturii absolute. Deexemplu, un bloc de cupru latemperatura de 100 C (373K) radiaza aproximativ 0,03W de pe fiecare cm² al suprafetei lui, iarla 1000°C (1273K) fiecare radiaza aproximativ 4W. Aceasta putere radianta este de 130 de ori mai mare decat cea corespunzatoaretemperaturii de 100°C.

Pe baza masuratorilor experimentale ale puterii radiante de catresuprafata unui corp, Josef Stefan (1835 - 1893) a exprimat legea care-i poarta numele prin relatia: ,

Unde: - este densitatea de energie radianta, puterea radianta/aria suprafetei,

;

- este o constanta fizica universala numita constanta lui

Stefan-Boltzmann ;

-T este temperatura Kelvin a suprafetei;

-ε este emisivitatea suprafetei ε[0,1], care depinde de natura suprafetei, astfel incat este mai mare pentru suprafeterugoase si mai mica pentru suprafete netede, lustruite.

La o temperatura de 300°C, practic toata energia radianta emisa de un corp este transportata decatre undemai lungi decat lungimea de unda corespunzatoare luminii rosii. Astfel de unde sunt numite infrarosii ('dincolo de rosii'). La o temperatura de 800°C, un corp emite destula energie radiantain vizibil pentru a fi luminossi apare ca 'rosu aprins'. Pana la aceasta temperatura cea mai mare parte a energiei emise este totusi asociata undelor infrarosii 20-3000°C (aproximativ temperatura unui filament incandescent in bec) energia radianta contine destule componente de lungime de unda "vizibile" intre 400nm si 700nm astfel incat corpul apare "incalzit la alb". Toate corpurile emit radiatii electromagnetice ca urmare a miscarii termice a moleculelorlor, iar cea mai mare parte a energiei emise este transportata de undele infrarosii.

Emisia in infrarosu a unui corp poate fi studiata utilizand un aparat fotografic incarcat cu un film sensibilizat in infrarosu sau camera de televiziune, sensibilizata pentru radiatia infrarosie. Imaginea rezultata este numita termograma.

Deoarece emisia depinde de temperatura, termograma permite un studiu detaliat al distributiilor de temperatura.

Anumite instrumente moderne sunt sensibile la variatii mici de 0,1grd.

Termografia are o multime de aplicatii medicale importante. Variatiile de temperatura in corp sunt asociate cutumori ce pot fi detectate ca formatiuni mici de aproximativ 1cm diametru. Pot fi studiate dezordinele vasculare ce conduc la anomalii locale de temperatura.

Transferul de caldura in corpul uman implica o serie de mecanisme care impreuna mentin o temperatura constantasi uniforma, chiar daca sunt mari schimbari in mediul inconjurator. Mecanismul intern cel mai important este o convectie fortata in care inima serveste ca pompa, iarsangele ca fluid de circulatie. Transferul de caldura intre corp si mediul inconjurator implica conductie, convectie si radiatie in proportie depinzand de imprejurari. Pierderea totala de caldura a corpului este de ordinul a 2000-5000Kcal pe zi (8400-21000KJ) in functie de activitatea depusa.