Spektre 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. Varmestråling med synligt lys kan ses på dette varme metal. Udsendelsen afinfrarød stråling er usynligt for det menneskelige øje, men kan ses medinfrarøde kameraer (setermografi).
Varmeståling ellertermisk stråling erelektromagnetisk stråling genereret af termiske bevægelse af partikler istof . Alt stof med entemperatur større end detabsolutte nulpunkt udsender varmestråling. Partikelbevægelser resulterer i ladningsacceleration eller dipoloscillation, der producerer elektromagnetisk stråling.
Hvis et strålende objekt opfylder de fysiske egenskaber for etsort legeme itermodynamisk ligevægt, kaldes strålingenhulrumsstråling ellersortlegemestråling.[1]Plancks strålingslov beskriver spektret for hulrumsstråling, der kun afhænger af objektets temperatur.Wiens forskydningslov bestemmer bølgelængden, hvor intensiteten af strålingen er størst, ogStefan-Boltzmanns lov angiver strålingens intensitet.[2]
Varmestråling er en af de grundlæggende mekanismer forvarmeoverførsel.[3]
Varmestråling er emission afelektromagnetiske bølger som sker fra alt stof, der har entemperatur, der er større end detabsolutte nulpunkt.[4] Det repræsenterer en konvertering aftermisk energi tilelektromagnetisk 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.protoner ogelektroner, og kinetiske interaktioner mellem stofpartikler resulterer i ladningsacceleration ogdipol-oscillation. Dette resulterer i den elektrodynamiske generation af koblede elektriske og magnetiske felter, hvilket resulterer i emission affotoner, 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 spektraleabsorptivitet og spektraleemissivitet, som udtrykt iKirchhoffs strålingslov.[4] 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 itermodynamisk ligevægt, og overfladen har perfekt absorptivitet ved alle bølgelængder, karakteriseres det som etsort 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 afelektromagnetisk 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 afPlancks strålingslov. Ved en given temperatur er der en frekvens, ved hvilken den udsendte effekt er maksimal.Wiens forskydningslov og det faktum at frekvensen er omvendt proportional med bølgelængden, indikerer at topfrekvensen er proportional med den absolutte temperatur for det sorte legeme. Solensfotosfære, 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 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 kaldesudgående langbølget stråling. Det er den spektrale selektivitet i atmosfæren, der er ansvarlig for den planetariskedrivhuseffekt, der bidrager tilglobal opvarmning ogklimaforandringer generelt (men bidrager også kritisk til klimastabilitet, når sammensætningen og egenskaberne i atmosfæren ikke ændrer sig).
SolkrafttårnetPS10 iAndalusien modtager koncentreret solenergi fra 624 bevægelig spejle som det bruger til at producere op til 11 MW elektricitet.
Glødepæren har et spektrum, der overlapper Solens og Jordens sortlegemespektre. Nogle af de fotoner, der udsendes af en glødetråd af wolframpære ved3000K 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 imikrobølgeovne og vedlaserskæring.
I modsætning til varmeoverførsel vedvarmeledning ogkonvektion kan varmestråling koncentreres på et lille sted ved hjælp af reflekterende spejle.Koncentrering af solenergi udnytter dette. I mange sådanne systemer anvendes spejle til at koncentrere sollys til et mindre område. I stedet for spejle kan ogsåfresnellinser bruges til at koncentrere varmeflux. (I princippet kan enhver form for linse bruges, men kun fresnel-linsedesignet er praktisk til meget store linser).
Der er fire hovedegenskaber, der karakteriserer varmestråling:
Varmestråling udsendt af et legeme ved en hvilken som helst temperatur består af en lang række frekvenser. Frekvensfordelingen er givet vedPlancks 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 enrødglødende 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 erhvidglødende. Selv ved en hvidglødende temperatur på 2000 K er 99% af strålingens energi stadig i den infrarøde område. Dette bestemmes afWiens 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 medT4, hvorT 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 englødepære – 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 jf.Kirchhoffs lov. Således udstråler en overflade, der optager mere rødt lys, også mere rødt lys. Dette princip gælder for alle egenskaber ved bølgen, herunderbølgelængde (farve), retning,polarisering ogkohærens, så det er muligt at have varmestråling, der er polariseret, kohærent og retningsbestemt, skønt polariserede og sammenhængende former er sjældent forekommende i naturen.
