Θερμική ακτινοβολία

Θερμική ακτινοβολία ονομάζεται η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός σώματος λόγω της θερμοκρασίας του. Γενικά, η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει ένα σώμα αντιστοιχεί σε συχνότητες ολόκληρου του φάσματος ακτινοβολίας αφού προέρχεται από τη θερμική, «τυχαία», κίνηση των συστατικών της ύλης. Μερικά παραδείγματα είναι η υπέρυθρη ακτινοβολία (μη ορατή) που εκπέμπεται από ένα καλοριφέρ καθώς και η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μία εστία φωτιάς (μέρος της οποίας, όπως γνωρίζουμε, ανήκει στο ορατό φάσμα). Αν και οι συσκευές αυτές ή η φωτιά ζεσταίνουν τον χώρο επίσης λόγω της δημιουργίας θερμών ρευμάτων αέρα, μέρος της θερμότητας που απελευθερώνουν είναι υπό την μορφή ακτινοβολίας. Ως αποτέλεσμα, αισθανόμαστε την θερμότητα που εκπέμπεται από την φωτιά ακόμα και αν ο περιβάλλον αέρας είναι πολύ κρύος. Γενικά όλα τα σώματα στη Φύση χάνουν ή αποκτούν θερμότητα εκπέμποντας ή απορροφώντας ακτινοβολία. Καθώς κινούνται αδιάκοπα, τα σωματίδια που συγκροτούν ένα σώμα εκπέμπουν ακτινοβολία, χάνοντας έτσι ένα μέρος της κινητικής τους ενέργειας με συνέπεια να αρχίζουν να επιβραδύνονται και έτσι τα σώματα που συγκροτούν να ψύχονται. Η ποσότητα της ενέργειας που αντιστοιχεί σε κάθε περιοχή συχνότητας εξαρτάται από τον συντελεστή εκπομπής του σώματος, ο οποίος καθορίζεται από το υλικό και την θερμοκρασία του σώματος καθώς και από την γωνία υπό την οποία γίνεται η εκπομπή ή η απορρόφηση. Ένα ιδανικό σώμα του οποίου ο συντελεστής εκπομπής είναι σταθερός ονομάζεται φαιό σώμα ενώ αν ο συντελεστής είναι σταθερός και ίσος με την μονάδα τότε καλείται μέλαν σώμα. Όταν το μέλαν σώμα βρίσκεται σε θερμική ισορροπία η ακτινοβολία που εκπέμπει ονομάζεται "ακτινοβολία μέλανος σώματος". Η κατανομή της ενέργειας στις διάφορες συχνότητες για το μέλαν σώμα καθορίζεται από τον Νόμο του Πλανκ. Ο νόμος του Βιέν μας δίνει την συχνότητα της μέγιστης εκπομπής και ο νόμος των Στέφαν - Μπόλτζμαν δίνει την συνολική ενέργεια που εκπέμπεται ανά μονάδα επιφάνειας. Χάρη στη θερμική ακτινοβολία η Γη θερμαίνεται από τον Ήλιο. Ειδικότερα, το μέτρο της ηλιακής θερμικής ακτινοβολίας λέγεται Ηλιακή σταθερά.

 Η θερμότητα σε ένα σταθερό μέσο διαδίδεται με δύο τρόπους: με αγωγή και με ακτινοβολία. Η αγωγή εξαρτάται από την διαφορά θερμοκρασίας στις περιοχές του μέσου μέσα στο οποίο λαμβάνει χώρα. Αντίθετα, η ακτινοβολία είναι εντελώς ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία του μέσου από το οποίο περνά. Για παράδειγμα, είναι δυνατόν να συγκεντρώσουμε τις ακτίνες του ήλιου χρησιμοποιώντας ένα μεγεθυντικό φακό κατασκευασμένο από πάγο, ο οποίος παραμένει πάντα σε θερμοκρασία 0°C και να αναφλέξουμε ένα εύφλεκτο σώμα. Γενικά η μετάδοση της θερμικής ενέργειας μέσω ακτινοβολίας είναι ένα πιο περίπλοκο φαινόμενο από την μετάδοση μέσω αγωγής. Ο λόγος είναι ότι η κατάσταση της ακτινοβολίας σε συγκεκριμένο χρόνο και σε συγκεκριμένο σημείο του υλικού δεν μπορεί να αναπαρασταθεί (όπως στην περίπτωση της αγωγής) από ένα απλό διάνυσμα. Όλες οι ακτίνες που περνούν σε μια δεδομένη στιγμή από το ίδιο σημείο του υλικού είναι εντελώς ανεξάρτητες η μια από την άλλη, και για να καθορίσουμε συνολικά την κατάσταση της ακτινοβολίας η ένταση της ακτινοβολίας πρέπει να είναι γνωστή σε όλες τις κατευθύνσεις, που είναι άπειρες σε αριθμό. Για τον σκοπό αυτό, δύο αντίθετες κατευθύνσεις πρέπει να θεωρούνται ξεχωριστές, γιατί η ακτινοβολία σε κάθε μια από αυτές είναι ανεξάρτητη από την ακτινοβολία στην άλλη. Ακόμα, η μετάδοση της θερμότητας μέσω ακτινοβολίας δεν προϋποθέτει την ύπαρξη του μέσου. Για παράδειγμα, όταν ο ήλιος θερμαίνει την Γη, η θερμική ενέργεια ταξιδεύει μέσα στο κενό διάστημα υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η θερμική ενέργεια είναι αποτέλεσμα τον κινήσεων των ατόμων και των μορίων της ύλης. Αφού τα άτομα και τα μόρια αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια, δηλαδή τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, η κίνησή τους έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία απομακρύνει ενέργεια από το υλικό. Την ίδια στιγμή, το σώμα ή η περιοχή του μέσου που εξετάζουμε, δέχεται θερμική ακτινοβολία από το περιβάλλον του η οποία μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια μέσα στο σώμα. Η ενέργεια που εκπέμπει το κάθε σώμα είναι ανεξάρτητη από αυτήν που δέχεται, και εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία του. Αλλά επειδή ένα θερμότερο σώμα εκπέμπει περισσότερη ακτινοβολία από ένα ψυχρότερο, υπάρχει μια μεταβίβαση θερμότητας από πρώτο στο δεύτερο. Η θερμική ακτινοβολία έχει τα εξής κύρια χαρακτηριστικά: Ένα σώμα που βρίσκεται σε ορισμένη θερμοκρασία εκπέμπει σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων (θεωρητικά, σε όλες τις συχνότητες). Η ισχύς της ακτινοβολίας σε κάθε συχνότητα δίνεται από τον νόμο του Πλανκ. Αυτό φαίνεται στο πιο πάνω διάγραμμα. Η κύρια συχνότητα (ή χρώμα, στην περίπτωση του ορατού φάσματος) αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ένα ερυθροπυρωμένο σώμα εκπέμπει κυρίως στις χαμηλές συχνότητες του ορατού φάσματος, γι' αυτό και φαίνεται κόκκινο. Αν θερμανθεί περισσότερο, τότε η κύρια συχνότητα μετατοπίζεται στο μέσο του ορατού φάσματος και η διασπορά της εκπομπής στις διάφορες συχνότητες (εφόσον δηλαδή εκπέμπει επίσης στο πράσινο και το κυανό), το κάνει να φαίνεται λευκό στο ανθρώπινο μάτι. Όμως, ακόμα και ένα λευκοπυρωμένο σώμα σε θερμοκρασία 2000 K, εκπέμπει το 99% της ενέργειας στο υπέρυθρο. Αυτός είναι ο νόμος της μετατοπίσεως του Βιέν. Στο διάγραμμα, το μέγιστο της καμπύλης μετατοπίζεται προς τα αριστερά όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η συνολική ποσότητα ακτινοβολίας που εκπέμπει το σώμα σε όλες τις συχνότητες αυξάνεται πολύ γρήγορα όσο αυξάνεται η θερμοκρασία: είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του σώματος. Ένα σώμα στη θερμοκρασία του φούρνου μιας κουζίνας, που είναι περίπου η διπλάσια της θερμοκρασίας δωματίου σε απόλυτες τιμές (600° K έναντι 300° K), εκπέμπει με 16 φορές μεγαλύτερη ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας. Το νήμα στους λαμπτήρες πυρακτώσεως, του οποίου η θερμοκρασία ανέρχεται κοντά στους 3000° K, που είναι περίπου 10 φορές η θερμοκρασία δωματίου, εκπέμπει 10,000 φορές περισσότερο ανά μονάδα επιφάνειας. Ο νόμος που περιγράφει αυτή την αύξηση ονομάζεται νόμος των Στέφαν - Μπλόλτζμαν. Στην γραφική παράσταση, η επιφάνεια κάτω από κάθε καμπύλη αυξάνεται απότομα όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Ο βαθμός στον οποίο ένα σώμα εκπέμπει θερμική ακτινοβολία μιας ορισμένης συχνότητας είναι ανάλογος με τον βαθμό στον οποίο μπορεί να απορροφήσει την ίδια συχνότητα. Έτσι, μια επιφάνεια που απορροφά περισσότερο το κόκκινο φως, θα εκπέμπει περισσότερο κόκκινο φως. Αυτή η αρχή επεκτείνεται σε όλες τις ιδιότητες των κυμάτων, όπως η κατεύθυνση (τα πραγματικά σώματα εκπέμπουν διαφορετική ισχύ μιας συχνότητας σε διαφορετικές γωνίες) και η πόλωση.Αυτές οι ιδιότητες ισχύουν δεδομένου ότι όλες οι αποστάσεις που παίζουν ρόλο στην παρατήρηση είναι αρκετά μεγαλύτερες από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και οι χρόνοι που εξετάζουμε πολύ μεγαλύτεροι από την περίοδό της. Κάτω από αυτές τις συνθήκες δεν προκύπτουν φαινόμενα περίθλασης και έτσι αυτή η ιδιότητα των κυμάτων δεν λαμβάνεται υπόψιν στη μελέτη της θερμικής ακτινοβολίας.