Varmestråling: Forskelle mellem versioner
Content deleted Content added
Glenn (diskussion | bidrag) Omdirigering til Infrarød stråling |
Ny artikel i stedet for omdirigering - hovedsageligt oversat fra en:Thermal radiation Tag: Fjernede omdirigering |
||
Linje 1:
[[Fil:Wiens_law.svg |thumb | Strektrer for varmestråling ved forskellige temperaturer. Det ses at strålingens styrke generelt øges ved stigende temperatur, og at kurvens toppunkt (bølgelængen med størst intensitet) samtidig bevæger sig mod mindre bølgelængder. ]]
[[Fil:Hot_metalwork.jpg| thumb | Varmestråling med synligt lys kan ses på dette varme metal. Udsendelsen af [[infrarød stråling]] er usynligt for det menneskelige øje, men kan ses med [[infrarøde kameraer]] (se [[termografi]]).]]
'''Varmeståling''' eller '''termisk stråling''' er [[elektromagnetisk stråling]] genereret af termiske bevægelse af partikler i [[Stof (fysik)|stof]] . Alt stof med en [[temperatur]] større end det [[Absolut nulpunkt|absolutte nulpunkt]] udsender varmestråling. Partikelbevægelser resulterer i ladningsacceleration eller dipoloscillation, der producerer elektromagnetisk stråling.
Den infrarøde stråling, der udsendes af dyr, der kan detekteres med et [[infrarødt kamera]], og den [[Kosmisk baggrundsstråling|kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling]] er eksempler på varmestråling.
Hvis et strålende objekt opfylder de fysiske egenskaber for et [[Sortlegeme|sort legeme]] i [[termodynamisk ligevægt]], kaldes strålingen [[hulrumsstråling]] eller sortlegemestråling.<ref>K. Huang, ''Statistical Mechanics'' (2003), s. 278</ref> [[Plancks strålingslov]] beskriver spektret for hulrumsstråling der kun afhænger af objektets temperatur. [[Wiens forskydningslov]] bestemmer bølgelængden hvor intensiteten af strålingen er størst, og [[Stefan-Boltzmanns lov]] angiver strålingens intensitet.<ref>K. Huang, ''Statistical Mechanics'' (2003), s. 280</ref>
Varmestråling er en af de grundlæggende mekanismer for [[varmeoverførsel]].<ref name=nbi>{{Kilde | url=https://fysikleksikon.nbi.ku.dk/v/varmestraaling/ | titel=Varmestråling - varmetransport | værk=Fysikleksikon | udgiver=[[Niels Bohr Institutet]], [[Københavns Universitet]] | forfatter=Chano Birkelind}}</ref>
== Overblik ==
Varmestråling er emission af [[Elektromagnetisk stråling|elektromagnetiske bølger]] som sker fra alt stof, der har en [[temperatur]], der er større end det [[Absolut nulpunkt|absolutte nulpunkt]].<ref name="blundell">{{Kilde bog | efternavn=S. Blundell, K. Blundell | titel=Concepts in Thermal Physics | isbn=978-0-19-856769-1 | år=2006 | udgiver=Oxford University Press | side=247}}</ref> Det repræsenterer en konvertering af [[termisk energi]] til [[elektromagnetisk energi]]. Termisk energi består af den kinetiske energi fra tilfældige bevægelser af atomer og molekyler i stof. Alt stof med en temperatur er per definition sammensat af partikler, der har kinetisk energi, og som interagerer med hinanden. Disse atomer og molekyler er sammensat af ladede partikler, dvs. [[proton]]er og [[elektron]]er, og kinetiske interaktioner mellem stofpartikler resulterer i ladningsacceleration og [[Dipol-svingning|dipol-oscillation]]. Dette resulterer i den elektrodynamiske generation af koblede elektriske og magnetiske felter, hvilket resulterer i emission af [[foton]]er, der udstråler energi væk fra legemet gennem dets overflade.
Egenskaber ved varmestråling afhænger af forskellige egenskaber på den overflade, den stammer fra, inklusive dens temperatur, dens spektrale [[Absorption|absorptivitet]] og spektrale emissionskraft, som udtrykt i [[Kirchhoffs strålingslov]].<ref name="blundell"/> Strålingen er ikke monokromatisk, dvs. den består ikke kun af en enkelt frekvens, men omfatter en kontinuerlig spredning af fotonenergier, dets karakteristiske spektrum. Hvis det udstrålende legeme og dets overflade er i [[termodynamisk ligevægt]], og overfladen har perfekt absorptivitet ved alle bølgelængder, karakteriseres det som et [[Sortlegeme|sort legeme]]. En sort legeme er også en perfekt emitter. Strålingen fra sådanne perfekte emittere kaldes [[hulrumsstråling]] eller sortlegemestråling. Forholdet mellem et bestemt legemes emission og et sort legemes emission kaldes legemets emissivitet, så en sort legeme har per definition en emissivitet på én.
Absorptivitet, reflektionsevne og emission er for legemer afhængig af bølgelængden af strålingen. På grund af [[elektromagnetisk reciprocitet]] er absorptivitet og emission for enhver bestemt bølgelængde ens - en god absorber er nødvendigvis en god emitter, og en dårlig absorber en dårlig emitter.
Fordelingen af intensiteten af de frekvenser som et sort legeme udsender beskrives af [[Plancks strålingslov]]. Ved en given temperatur er der en frekvens ''f <sub>maks</sub>'', ved hvilken den udsendte effekt er maksimal. [[Wiens forskydningslov]] og det faktum at frekvensen er omvendt proportional med bølgelængden, indikerer at topfrekvensen ''f <sub>maks</sub>'' er proportional med den absolutte temperatur ''T'' for det sorte legeme. Solens [[fotosfære]], ved en temperatur på ca. 6000 K, udsender hovedsageligt stråling i den (menneskeligt) synlige del af det elektromagnetiske spektrum. Jordens atmosfære er delvis gennemsigtig for synligt lys, og lyset der når overfladen, absorberes eller reflekteres. Jordoverfladen genudsender den absorberede stråling og tilnærmer sig et sort legemes opførsel ved 300 K. Den udsendte strålings topfrekvens ''f <sub>maks</sub>'' er lavere end for indkommende sollys på grund af jordens lavere temperatur.
For disse lavere frekvenser er atmosfæren stort set uigennemsigtig, og stråling fra Jordens overflade absorberes eller spredes af atmosfæren. Selvom ca. 10 % af denne stråling slipper ud i rummet, absorberes det meste og genudsættes derefter af atmosfæriske gasser. Strålingen væk fra jorden kaldes [[udgående langbølget stråling]]. Det er den spektrale selektivitet i atmosfæren, der er ansvarlig for den planetariske [[drivhuseffekt]], der bidrager til [[global opvarmning]] og [[Klimaændring|klimaforandringer generelt]] (men bidrager også kritisk til klimastabilitet, når sammensætningen og egenskaberne i atmosfæren ikke ændrer sig).
[[Fil:PS10 solar power tower 2.jpg | thumb | Solkrafttårnet [[PS10-solkrafttårnet|PS10]] i [[Andalusien]] modtager koncentreret solenergi fra 624 bevægelig spejle som det bruger til at producere op til 11 MW elektricitet.]]
[[Glødelampe|Glødepæren]] har et spektrum, der overlapper solens og jordens sortlegemespektre. Nogle af de fotoner, der udsendes af en glødetråd af wolframpære ved [[Farvetemperatur|3000 K]] er i det synlige spektrum. Det meste af energien er forbundet med fotoner med længere bølgelængder; disse hjælper ikke en person med at se, men overfører stadig varme til miljøet som kan måles. Hver gang elektromagnetisk stråling udsendes og absorberes, overføres varme. Dette princip bruges i [[mikrobølgeovn]]e og ved [[laserskæring]].
I modsætning til varmeoverførsel ved [[varmeledning]] og [[konvektion]] kan varmestråling koncentreres på et lille sted ved hjælp af reflekterende spejle. [[Koncentreret solkraft|Koncentrering af solenergi]] udnytter dette. I mange sådanne systemer anvendes spejle til at koncentrere sollys til et mindre område. I stedet for spejle kan også [[fresnellinse]]r bruges til at koncentrere varmeflux. (I princippet kan enhver form for linse bruges, men kun fresnel-linsedesignet er praktisk til meget store linser).
== Egenskaber ==
Der er 4 hovedegenskaber, der karakteriserer varmestråling:
* Varmestråling udsendt af et legeme ved en hvilken som helst temperatur består af en lang række frekvenser. Frekvensfordelingen er givet ved [[Plancks strålingslov]] for en idealiseret emitter som vist i diagrammet øverst.
* Den dominerende frekvens (eller farve) for den udsendte stråling skifter til højere frekvenser, når emitterens temperatur stiger. For eksempel stråler en ''rødglødende'' genstand hovedsageligt i de lange bølgelængder (rød og orange) på det synlige bånd. Hvis den opvarmes yderligere, begynder det også at udsende mærkbare mængder grønt og blåt lys, og spredningen af frekvenser i hele det synlige område får det til at virke hvidt for det menneskelige øje; det er ''hvidglødende''. Selv ved en hvidglødende temperatur på 2000 K er 99 % af strålingens energi stadig i den infrarøde omåde. Dette bestemmes af [[Wiens forskydningslov]]. I diagrammet bevæger topværdien for hver kurve sig mod venstre når temperaturen stiger.
* Den samlede stråling af alle frekvenser stiger kraftigt når temperaturen stiger; [[Stefan-Boltzmanns lov]] siger at strålingen er proportionel med ''T<sup>4</sup>'', hvor ''T'' er den absolutte temperatur af legemet. Et objekt ved temperaturen i en varm køkkenovn, cirka det dobbelte af stuetemperaturen på den absolutte temperaturskala (600 K vs. 300 K) udstråler 16 gange så meget effekt pr. arealenhed. Et objekt ved glødetrådens temperatur i en [[Glødelampe|glødepære]] – omkring 3000 K eller 10 gange stuetemperatur – udstråler 10.000 gange så meget effekt pr. arealenhed.
* Andelen af elektromagnetisk stråling der udsendes ved en given frekvens, er proportional med absorptionen af frekvensen, en egenskab kendt som reciprocitet . Således udstråler en overflade, der optager mere rødt lys, også mere rødt lys. Dette princip gælder for alle egenskaber ved bølgen, herunder [[bølgelængde]] (farve), retning, [[Polarisering (tværbølge)|polarisering]] og [[kohærens]], så det er muligt at have varmestråling, der er polariseret, kohærent og retningsbestemt, skønt polariserede og sammenhængende former er sjældent forekommede i naturen.
=== Subjektiv farveopfattelse for varmestråling ===
Den ældste metode til at måle temperaturen for varme objekter, er at vurdere den opfattede farve for objektets varmestråling.<ref>{{Kilde | url=http://www.kt.dtu.dk/Forskning/CHEC/Termometrilaboratoriet/-/media/A6D430ED27014744B6B7E52D4E79E656.ashx | titel=Infrarød temperaturmåling | forfatter=Sønnik Clausen | udgiver=[[Forskningscenter Risø]] | dato=januar 1996 | isbn=87-550-2141-7}}</ref>
{| class="wikitable"
! Temperatur
! Subjektiv farve<ref>{{Cite web|url=http://cc.oulu.fi/~kempmp/colours.html|title=Wayback Machine|date=21. juli 2011 |archiveurl=https://archive.is/20110721181740/http://cc.oulu.fi/~kempmp/colours.html |archivedate=21. juli 2011}}</ref>
|-
| 480 °C
| svag rød glød
|-
| 580 °C
| mørkerød
|-
| 730 °C
| lys rød, let orange
|-
| 930 °C
| lys orange
|-
| 1100 °C
| lys gullig orange
|-
| 1300 °C
| gulligt hvidt
|-
| > 1400 °C
| hvid (gullig set på afstand gennem atmosfæren)
|}
== Referencer ==
{{Reflist}}
[[Kategori:Termodynamik]]
[[Kategori:Elektromagnetisk stråling]]
| |||