إشعاع حراري

السؤال: ما هو الإشعاع حراري؟


الإشعاع الحراري هو أحد صور إنبعاث الطاقة و انتقالها, و كمية الطاقة التي يحملها الإشعاع تعتمد علي درجة حرارة و طبيعة السطح الباعث للأشعة. و هذا النوع من وسائل إنتقال الحرارة لا يحتاج إلي وسيط بين السطح الباعث و المستقبل للأشعة. و تنتقل الأشعة علي هيئة موجات كهرومغناطيسية, هذه الموجات التي تنتقل بها موجات الراديو و أشعة x و أشعة جاما و غيرها, و الإختلاف يكون فقط في الطول الموجي للأشعة.

و من الناحية النظرية فإن الطول الموجي للأشعة الحرارية يقع في المدي من صفر إلي مالا نهاية, و علي كل فإن معظم هذه الأشعة يتراوح طولها الموجي ما بين 0٫1 إلي 100 ميكرومتر, كما أن الجزء المرئي من الأشعة الحرارية يتراوح طوله الموجي ما بين 0٫4 إلي 0٫7 ميكرومتر. و درجة حرارة سطح الشمس الفعالة تقدر بحوالي 5760 كلفن, و تبعث أشعة في المدي من 0٫1 إلي 3 ميكرومتر شاملة الأشعة المرئية.

و تنتقل الأشعة عامة بسرعة الضوء و التي تقدر بحوالي 300 مليون متر/ثانية في الفراغ. و يمكن التعبير عن العلاقة بين الطول الموجي و سرعة الضوء و التردد للأشعة بالمعادلة التالية:

C = λν

حيث:

C: سرعة الضوء

λ: الطول الموجي

ν: التردد

و لحساب الطاقة المحملة في هذه الموجات فإنه و طبقا لنظرية الكم

E = hv

حيث:

E:طاقة الفوتون

h:ثابت بلانك
سقوط الأشعة علي الأسطح
عند سقوط الأشعة علي الأسطح فإن جزء منها قد ينعكس بعيدا عن السطح و جزء آخر قد يمتص بواسطة السطح و الجزء الثالث قد ينفذ من خلال السطح. و يتوقف ذلك علي ثلاث خواص إشعاعية للسطح المستقبل للأشعة وهي الإنعكاسية و الإمتصاصية و , و مجموع قيم هذه الخواص الثلاثة لابد أن يكون مساويا للواحد الصحيح أي أن

ρ + α + τ = 1

حيث:
ρ: معامل الإنعكاس
α: معامل الإمتصاص
τ: معامل النفاذية
و المعاملات السابقة لا تعتمد فقط علي طبيعة السطح الماص و لكن أيضا علي إتجاه الأشعة و الطول الموجي لها. و تكون المعادلة السابقة صحيحة في حالة استخدام القيم المتوسطة للمعاملات السابقة علي مدي الاطوال الموجية المختلفة.
ظاهرة البيوت الزجاجية
بالحديث عن الطول الموجي و إعتماد خواص الأشعة عليه فإنه من الجدير بالذكر الحديث عن الظاهرة المعروفة  بإسم البيوت الزجاجية أو الاحتباس الحراري. و هذه الظاهرة تنتج عن إختلاف معامل النفاذية الطيفي  للزجاج بإختلاف الطول الموجي, حيث تكون هذه النفاذية عالية في منطقة الموجات المرئية و قرب الموجات تحت الحمراء, أما الموجات المنبعثة من داخل الصوبة الزجاجية و التي تكون في مدي الأطوال الموجية الطويلة نسبيا و البعيدة عن منطقة الأشعة تحت الحمراء فإن النفاذية عندها تكون أقل, و من هنا فإن الأشعة التي تنفذ من خلال الزجاج ترفع درجة حرارة الأجسام الموجودة بداخله ثم تشع هذه الأجسام موجات طويلة نسبيا يصعب نفاذها من الداخل للخارج مما يؤدي لرفع درجة الحرارة داخل هذه البيوت الزجاجية.
الخصائص الإشعاعية للأسطح الحقيقية


إن مفهوم الجسم الأسود هو مفهوم نظري و لهذا كان من الضروري أن يتم تعريف السطح الحقيقي من وجهة نظر الإنبعاث. فالجسم الأسود يبعث كل الأشعة أي أن معامل الإنبعاثية للسطح الحقيقي أقل من الواحد.

و تعرف الإنبعاثية أنها:

" النسبة بين القدرة المنبعثة من السطح الحقيقي إلي تلك المنبعثة من سطح الجسم الأسود عند نفس درجة الحرارة".

و يمكن التعبير عنها رياضيا بإستخدام المعادلة التالية:
ε = E / Eb
حيث:
ε: معامل الإنبعاث للسطح.
E: معدل الطاقة المنبعثة من الجسم الحقيقي عند درجة حرارة T.
Eb: معدل الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود عند نفس درجة الحرارة.
بالإضافة لإعتماد الإنبعاثية علي درجة الحرارة فإنها تعتمد علي الطول الموجي للأشعة و إتجاهها, و المعادلة السابقة تعطي قيمة متوسطة للإنبعاثية علي مدي الموجات المختلفة و في كل الإتجاهات. و تعرف أحيانا بالإنبعاثية الكلية أو الإنبعاثية النصف كروية .

و يمكن التعبير عن الإنبعاثية أحادية الطول الموجي   بأنها:

"النسبة بين القدرة الإشعاعية للجسم عند طول موجي محدد إلي تلك القدرة للجسم الأسود عند نفس الطول الموجي و درجة الحرارة".

و يعبر رياضيا عنها بالمعادلة التالية:

ελ = Eλ / Eλb

حيث:
ε: معامل الإنبعاث للسطح عند طول موجي λ.
Eλ: معدل الطاقة المنبعثة من الجسم الحقيقي عند نفس الطول الموجي .
Ebλ: معدل الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود عند نفس درجة الحرارة و نفس الطول الموجي.
و يوضح الجدول التالي بعض القيم المتوسطة للإنبعاثية و معامل الإمتصاص لعض الأسطح الحقيقية


[1]
أهم أستخدامات الاشعاع الحراري للاجسام
1. تحديد مناطق الثروات الطبيعية في باطن الارض
2. وتعد من أهم طرق اكتشاف الادلة الجنائية المبهمة حيث يظل الاشعاع الحراري لشخص ما في كمان الجريمة مدة ليست طويلة وقد تصل من 12 ساعة حتى 16 على أقصي تقدير 
وبهذه التقنية  يستطيع الشرطة تحديد هوية المجرمين بدقة خلال تلك المدة.
اقرأ أيضا
الاشعاع الشمسي
شدة الإشعاع و الفيض الإشعاعي
جسم أسود
تصوير حراري
طيف كهرومغناطيسي
ماكس بلانك
قانون بلانك
قانون فين للإزاحة
حرارة
الكومة الحرارية
المراجع


تصنيف:انتقال الحرارة
تصنيف:إشعاع كهرومغناطيسي
تصنيف:ديناميكا حرارية
تصنيف:هندسة ميكانيكية