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).

Joonis näitab, kuidas lainepikkuse haripunkt ja kogu kiiratud energia muutub temperatuuri muutudes Wieni nihkeseaduse kohaselt. Kuigi joonisel on tegemist kõrgete temperatuuridega, kehtib see ka madalamate jaoks. Nähtav valgus on 380 nm ja 750 nm vahel

Näide soojuskiirgusest. Kuum metall on piisavalt kõrge temperatuuriga, et olla nähtav inimese silmale

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.^[1] 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.^[2]

Ülevaade

Termokaamerad võimaldavad soojuskiirgust registreerida. Teaduskeskus Ahhaa Tartus

Soojuskiirgus on absoluutsest nullist kõrgemal temperatuuril olevate kehade kiiratav elektromagnetiline kiirgus.^[3] 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.^[3] 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 f_max, mille juures on kiiratav võimsus kõige suurem. Wieni nihkeseaduse abil saame, et sagedus f_max 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:

• Keha poolt juhuslikul temperatuuril eralduv soojuskiirgus koosneb laiast sagedusspektrist. Ideaalse kiirguri sagedusjaotus on antud Plancki musta keha kiirguse seadusega.
• Keha temperatuuri tõustes nihkub kiiratav sagedusvahemik kõrgemate sageduste poole. Näiteks, tulipunane keha kiirgab kõige enam nähtava valguse pikemaid lainepikkuseid (punane ja oranž). Kui antud keha veel rohkem kuumutada, siis ta hakkab eraldama rohkem ka rohelist ja sinist valgust, muutudes seega inimsilma jaoks valgeks. Kuid isegi sellise 2000 K temperatuuriga keha puhul, asub enamik kiiratavast energiast endiselt infrapunases piirkonnas. Seda omadust iseloomustab Wieni nihkeseadus.
• Kiirgustugevus kasvab temperatuuri tõustes järsult; see kasvab kui T⁴, kus T on keha absoluutne temperatuur. Keha, mille temperatuur on võrdne elektriahju omaga, mis on umbes kaks korda suurem kui toatemperatuur Kelvini skaalas, kiirgab 16 korda rohkem energiat ühikulise pindala kohta. Keha, mille temperatuur on hõõgniidiga võrdne – umbes 3000 K, ehk 10 korda rohkem kui toatemperatuur, kiirgab 10 000 korda rohkem energiat ühikulise pindala kohta. Musta keha kiirgusintensiivsus on võrdeline temperatuuri neljanda astmega, kus T on antud Kelvini skaalas. Seda iseloomustab Stefani-Boltzmanni seadus.
• Keha poolt eraldatav soojuskiirguse hulk on võrdeline sama keha poolt neelatava kiirguse hulgaga. Seega keha, mis neelab rohkem punast valgust, ka kiirgab enim punast valgust. See printsiip kehtib kõigile lainete omadustele, kaasa arvatud lainepikkus (värv), suund, polarisatsioon ja isegi koherentsus. Seega on võimalik, et kehast eraldub suunatud koherentne polariseeritud soojuskiirgus, kuigi polariseeritud ja koherentne kiirgus on looduses väga haruldane.

Need omadused kehtivad siis, kui vaatleme vahemaid, mis on palju suuremad vaadeldava spektri lainepikkustest.

°C	Subjektiivne värvus
480	nõrk punane kuma
580	tumepunane
730	helepunane, kergelt oranžikas
930	ere oranž
1100	kahvatu kollakas oranž
1300	kollakas valge
> 1400	valge (kollakas, kui vaadata läbi atmosfääri)

Energiavahetus

Soojuskiirgus on üks põhilisi soojusülekande liike. See on elektromagnetilise kiirguse eraldumine keha temperatuuri tõttu. Soojuskiirguse energiavahetuse vastastikmõju iseloomustab järgmine võrrand:

${\displaystyle \alpha +\rho +\tau =1.\,}$

kus ${\displaystyle \alpha \,}$ iseloomustab spektraalse neelduvusvõime komponenti, ${\displaystyle \rho \,}$ spektraalse peegelduse komponenti ja ${\displaystyle \tau \,}$ spektraalse ülekande komponenti. Need elemendid on elektromagnetkiirguse lainepikkuse (${\displaystyle \lambda \,}$) funktsioonid. Spektraalne neelduvus on võrdne kiirgusvõimega ${\displaystyle \epsilon \,}$. Seda suhet tuntakse kui soojuskiirguse Kirchhoffi seadust. Keha kutsutakse mustaks kehaks, kui kõigil sagedustel kehtib valem:

${\displaystyle \alpha =\epsilon =1.\,}$

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.^[4] 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 <λ< 0,8 µm) ja lühematele infrapunase piirkonna lainepikkustele, kuid see ei lase läbi pikemate lainepikkustega infrapunakiirgust (umbes λ>3 µm).^[5] 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.

Vaata ka

• Kiirgus
• Infrapunakiirgus

Viited

1. K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p.278
2. K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p280
3. S. Blundell, K. Blundell (2006). Concepts in Modern Physics. Oxford University Press. Lk 247. ISBN 978-0-19-856769-1.
4. R. Bowling Barnes (24. mai 1963). "Thermography of the Human Body Infrared-radiant energy provides new concepts and instrumentation for medical diagnosis". Science. 140 (3569): 870–877. Bibcode:1963Sci...140..870B. DOI:10.1126/science.140.3569.870. ISSN 0036-8075.
5. Heat and Mass Transfer, Yunus A. Cengel and Afshin J. Ghajar, 4th Edition