Soojuskiirgus

Soojuskiirgus on laetud osakeste soojusliikumise tõttu tekkiv elektromagnetiline kiirgus. Kõik ained, mis on absoluutsest nullist kõrgema temperatuuriga, eraldavad soojuskiirgust, mis on üks soojusülekande vormidest (lisaks soojusjuhtivusele ja konvektsioonile).
Soojuskiirguse näideteks on hõõglambist eralduv nähtav valgus, loomadelt eralduv infrapunane valgus ja kosmiline mikrolaine-taustkiirgus. Soojuskiirgus erineb soojusjuhtivusest ja konvektsioonist – lõkke lähedal olev inimene tunneb sealt tulevat soojuskiirgust, isegi kui teda ümbritsev õhk on väga külm.
Päikesevalgus on kuuma päikese poolt kiiratav soojuskiirgus. Ka Maa eraldab soojuskiirgust, kuid madalama temperatuuri tõttu on see palju väiksema intentsiivsuse ja erineva spektrijaotusega. Maa temperatuuri mõjutavad kõige rohkem päikesekiirguse neeldumine ning samas ka Maa poolt ära kiiratav kiirgus.
Kui elektromagnetlaineid kiirgav keha on samade omadustega nagu soojuslikus tasakaalus olev absoluutselt must keha, siis kutsutakse seda musta keha kiirguseks. Plancki kiirgusseadus kirjeldab musta keha kiirguse spektrit, mis on sõltuv vaid keha temperatuurist. Wieni nihkeseadus määrab kõige tõenäoseima kiirguse sageduse ja Stefani-Boltzmanni seaduse abil saame leida pealelangeva valguse kiiritusustiheduse.
Ülevaade.
Soojuskiirgus on absoluutsest nullist kõrgemal temperatuuril olevate kehade kiiratav elektromagnetiline kiirgus.
See on soojusenergia muundumine elektromagnetiliseks energiaks. Soojusenergia on aatomite ja molekulide juhusliku liikumise kineetilise energia keskmine. Aatomid ja molekulid koosnevad laetud osakestest, näiteks prootonitest ja elektronidest, ning nende ostsilleerimine tekitab elektri- ja magnetvälja. Selle tulemusena kiiratakse footoneid, mis vähendavad keha entroopiat ja energiat. Elektromagnetiline kiirgus ei vaja aine olemasolu ning saab vaakumis liikuda lõpmatult kaugele, kui teele ei jää ühtegi takistust.
Soojuskiirguse omadused sõltuvad mitmetest teguritest: aine pinnast, temperatuurist, neelamis- ja kiirgamisvõimest. Kiirgus ei ole monokromaatiline, mis tähendab, et see ei koosne sama sagedusega lainetest, vaid eri sagedustega komponentidest, mis moodustavad ainele iseloomuliku spektri. Kui kiirgav keha ja selle välispind on soojuslikus tasakaalus ning pind neelab kogu pealelangeva valguse, siis on tegemist musta kehaga. Must keha on ideaalne kiirgur. Tavalise keha ja musta keha neelduvuse suhet kutsutakse neelamisvõimeks ning seega on musta keha neelamisvõime võrdne ühega.
Neelduvus, peegelduvus ja kiirgavus on kõik sõltuvad kiirguse lainepikkusest. Temperatuur määrab elektromagnetilise kiirguse lainepikkuste jaotuse. Näiteks värske lumi, mis on väga suure peegelduvusega (0,90), tundub valge peegelduva päikesevalguse tõttu, mille intensiivsus on tugevaim umbes 500 nanomeetri juures. Selle kiirgavus −5 °C juures on aga 0,99 ning sel juhul kiiratakse maksimaalselt 12 mikromeetri juures.
Musta keha kiirguse jaotus sageduste järgi on kirjeldatud Plancki seadusega. Iga temperatuuri juures on olemas sagedus "fmax", mille juures on kiiratav võimsus kõige suurem. Wieni nihkeseaduse abil saame, et sagedus "fmax" on võrdeline musta keha temperatuuriga "T". Päikese fotosfäär, mille temperatuur on umbes 6000 K, kiirgab enamiku valgusest elektromagnetilise spektri nähtavas piirkonnas. Maa atmosfäär on vaid osaliselt läbipaistev nähtavale valgusele ning maapinnale jõudev valgus neelatakse või peegeldatakse. Maapind kiirgab elektromagnetlaineid, mille spekter vastab musta keha kiirgurile temperatuuriga umbes 300 K.
Majapidamises kasutatavate hõõglampide spekter katab nii päikese kui ka maa musta keha spektrit. Osad hõõglambist eralduvatest footonitest asuvad nähtavas spektris, kuigi enamus neist on seotud pikemate, infrapunalainepikkustega. Infrapunast kiirgust me küll ei näe, kuid tunneme seda soojusena. Elektromagnetlainete kiirgamisel ja neeldumisel toimub soojusülekanne.
Erinevalt konduktiivsest ja konvektsioonilisest soojusülekandest saab soojuskiirgust koondada peeglite abil üheks väikeseks punktiks, mida kasutatakse näiteks päikese energia koondamiseks. Peeglite asemel võib soojusvoo koondamiseks kasutada fresneli läätsesid. Mõlema meetodiga on võimalik kiirelt päikese abil vett aurutada. Näiteks on võimalik sellisel meetodil kuumutada vett 285 kraadini Celsiuse järgi.
Kattepinna efektid.
Heledamad värvid ja metallilised ained neelavad vähem pealelangevat valgust ning seega ei soojene nii hästi. Üldiselt aga pinna värvus normaaltingimustel kehade vahelisel soojusülekandel väga suurt rolli ei mängi, sest kiiratud footonid asuvad enamasti infrapunases piirkonnas, mitte nähtavas. Nendel lainepikkustel on kiirgusel vähe tegemist nähtava valguse kiirgusvõimega; infrapunases piirkonnas on enamik objekte kõrge kiirgusvõimega. Seega, välja arvatud päikesevalguse käes, ei oma riiete värvuse valik soojuse mõttes vahet.
Erandjuhuks on läikivad metallpinnad, millel on madal kiirgusvõime nii nähtavas kui ka infrapunases keskkonnas. Selliseid pindu saab kasutada soojusülekande vähendamiseks kahes suunas. Üheks näiteks sellest on mitmekihiline isoleermaterjal, mida kasutatakse kosmosesõidukite soojustamisel.
Keerukam tehnoloogia on madala kiirgusvõimega aknad, sest need peavad olema lisaks madalale kiirgusvõimele suure spektriala ulatuses ka läbipaistvad nähtavale valgusele.
Omadused.
Soojuskiirgusel on neli põhiomadust, mis seda iseloomustavad:
Need omadused kehtivad siis, kui vaatleme vahemaid, mis on palju suuremad vaadeldava spektri lainepikkustest.
Energiavahetus.
Soojuskiirgus on üks põhilisi soojusülekande liike. See on elektromagnetilise kiirguse eraldumine keha temperatuuri tõttu. Soojuskiirguse energiavahetuse vastastikmõju iseloomustab järgmine võrrand:
formula_1
kus formula_2 iseloomustab spektraalse neelduvusvõime komponenti, formula_3 spektraalse peegelduse komponenti ja formula_4 spektraalse ülekande komponenti. Need elemendid on elektromagnetkiirguse lainepikkuse (formula_5) funktsioonid. Spektraalne neelduvus on võrdne kiirgusvõimega formula_6. Seda suhet tuntakse kui soojuskiirguse Kirchhoffi seadust. Keha kutsutakse mustaks kehaks, kui kõigil sagedustel kehtib valem:
formula_7
Reaalsetes tingimustes kaotab toasoojas inimene märgatava osa energiast soojuskiirguse tõttu. Samas, võidab keha osa kiiratud energiat tagasi, neelates soojust konduktsiooni kaudu ümbritsevatelt objektidelt ja metabolismi käigus eralduvast soojusest. Inimnaha kiirgavus on üsna lähedane ühele. Allpool olevaid valemeid kasutades näeme, et inimene, kelle pindalal on umbes 2 ruutmeetrit ja temperatuur 310,15 K, kiirgab pidevalt umbes 1000 vatti. Kuna inimesed on enamasti siseruumides ümbritsetud kehadest temperatuuriga umbes 296 K, siis nad saavad tagasi 900 vatti ning seega on kogu kaotus vaid 100 vatti. Need arvutused on väga umbkaudsed ning sõltuvad erinevatest teguritest, nagu näiteks riiete kandmine.
Päikese energiat saab efektiivselt kasutada erinevate pindade omaduste tõttu. Näiteks kasvuhooned, mille seinad ja katus tehakse enamasti klaasist. Klaas on läbipaistev nähtavale (umbes 0,4 µm &lt;λ&lt; 0,8 µm) ja lühematele infrapunase piirkonna lainepikkustele, kuid see ei lase läbi pikemate lainepikkustega infrapunakiirgust (umbes λ&gt;3 µm). Seega laseb klaas läbi nähtavat valgust, kuid ei lase välja kasvuhoones olevate kehade soojuskiirgust. "Lõksu jäänud" kiirgust tunneme me soojusena. Sellist nähtust nimetatakse kasvuhooneefektiks ning seda nähtust tunneme näiteks ka siis, kui istume päikese käes seisnud autosse.