Radiazione di calore
L’energia irradiata da solidi, liquidi e gas come risultato della loro temperatura. Tale energia radiante è sotto forma di onde elettromagnetiche e copre l’intero spettro elettromagnetico, estendendosi dalla porzione di onde radio dello spettro attraverso le porzioni di raggi infrarossi, visibili, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Dalla maggior parte dei corpi caldi sulla Terra questa energia radiante si trova in gran parte nella regione infrarossa., Vedi Radiazione elettromagnetica, radiazione infrarossa
La radiazione è uno dei tre metodi di base del trasferimento di calore, gli altri due metodi sono conduzione e convezione. Vedi Conduzione (calore), convezione (calore), Trasferimento di calore
Una piastra calda a 400 K (260°F) può non mostrare alcun bagliore visibile; ma una mano che è tenuta su di essa percepisce i raggi di riscaldamento emessi dalla piastra. È necessaria una temperatura superiore a 1300°F (1000 K) per produrre una quantità percepibile di luce visibile., A questa temperatura una piastra calda si illumina di rosso e la sensazione di calore aumenta notevolmente, dimostrando che maggiore è la temperatura della piastra calda maggiore è la quantità di energia irradiata. Parte di questa energia è la radiazione visibile e la quantità di questa radiazione visibile aumenta con l’aumentare della temperatura. Un forno in acciaio a 2800°F (1800 K) mostra un forte bagliore giallo. Se un filo di tungsteno (usato come filamento nelle lampade ad incandescenza) viene sollevato dal riscaldamento a resistenza ad una temperatura di 4600°F (2800 K), emette una luce bianca brillante., Quando la temperatura di una sostanza aumenta, appaiono colori aggiuntivi della porzione visibile dello spettro, la sequenza è prima rossa, poi gialla, verde, blu e infine viola. La radiazione viola è di lunghezza d’onda più corta della radiazione rossa ed è anche di maggiore energia quantistica. Per produrre una forte radiazione viola, è necessaria una temperatura di quasi 5000°F (3000 K). La radiazione ultravioletta richiede temperature ancora più elevate. Il Sole emette una notevole radiazione ultravioletta; la sua temperatura è di circa 10.000°F (6000 K)., Tali temperature sono state prodotte sulla Terra in gas ionizzati da scariche elettriche. La lampada a vapori di mercurio e la lampada fluorescente emettono grandi quantità di radiazioni ultraviolette. Temperature fino a 36.000°F (20.000 K), tuttavia, sono ancora troppo basse per produrre raggi X o radiazioni gamma. Un gas mantenuto a temperature superiori a 2 × 106 ° F (1 × 106 K), incontrato in esperimenti di fusione nucleare, emette raggi X e raggi gamma. Vedi Fusione nucleare, radiazione ultravioletta
Un corpo nero è definito come un corpo che emette la massima quantità di radiazione termica., Sebbene in natura non esista un radiatore a corpo nero perfetto, è possibile costruirne uno sul principio della radiazione della cavità. Vedere Corpo nero
Un radiatore a cavità è solitamente inteso come un involucro riscaldato con una piccola apertura che consente alcune radiazioni per fuggire o entrare. La radiazione che fuoriesce da una tale cavità ha le stesse caratteristiche della radiazione del corpo nero.,
La legge di Kirchhoff correla matematicamente le proprietà di radiazione termica dei materiali all’equilibrio termico. Viene spesso chiamata la seconda legge della termodinamica per i sistemi radianti. La legge di Kirchhoff può essere espressa come segue: Il rapporto tra l’emissività di un radiatore di calore e l’assorbimento dello stesso radiatore è una funzione della sola frequenza e temperatura. Questa funzione è la stessa per tutti i corpi ed è uguale all’emissività di un corpo nero. Una conseguenza della legge di Kirchhoff è il postulato che un corpo nero ha un’emissività che è maggiore di quella di qualsiasi altro corpo., Leggi dei circuiti elettrici di Kirchhoff
La legge della radiazione di Planck rappresenta matematicamente la distribuzione di energia della radiazione di calore da 1 cm2 di superficie di un corpo nero a qualsiasi temperatura. Formulato da Max Planck all’inizio del XX secolo, ha gettato le basi per il progresso della fisica moderna e l’avvento della teoria quantistica.,
Equazione (1) è l’espressione matematica della legge della radiazione di Planck, dove Rλ è l’energia totale irradiata dal corpo, misurata in watt per centimetro quadrato per unità di lunghezza d’onda, alla lunghezza d’onda λ. La lunghezza d’onda in questa formula è misurata in micrometri. La quantità T è la temperatura in kelvin, ed e è la base dei logaritmi naturali. L’illustrazione presenta grafici della legge di Planck per varie temperature e mostra le sostanze che raggiungono queste temperature., Va notato che queste sostanze non si irradiano come previsto dalla legge di Planck poiché non sono i corpi neri stessi.
La legge di Stefan-Boltzmann afferma che l’energia totale irradiata da un corpo caldo aumenta con la quarta potenza della temperatura del corpo. Questa legge può essere derivata dalla legge di Planck dal processo di integrazione ed è espressa matematicamente come Eq. (2), dove RT è la quantità totale di energia radiat
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