اصول انتقال حرارت تابشی

انتقال حرارت تشعشعی و اصول اصلی آن

انتقال حرارت تشعشعی و اصول اصلی آن :

۱ . با سرعت نور منتقل می شود.

۲ . در مسیر مستقیم حرکت می کند و می توان آن را منعکس کرد.

۳ . درجه حرارت اشیا جامد در اثر جذب تشعشع افزایش می یابد ولی هوایی که تشعشع از آن می گذرد گرم نخواهد شد.

در تصویر زیر سه نوع اصلی انتقال حرارت را مشاهده می کنید.

هدایت یا  هیتر سرامیکی ، جابجایی یا  بخاری تابشی و تشعشع یا radiation

نرخ انتقال حرارت تشعشعی بین اجسام بستگی به عوامل زیر دارد :

۱ . درجه حرارت سطوح تابش کننده و دریافت کننده

۲ . قابلیت تابش سطح تشعشع کننده

۳ . قابلیت انعکاس ، جذب و انتقال سطح دریافت کننده

۴ . ضریب دید بین سطح تابش کننده و دریافت کننده

یک عامل مهم در انتقال حرارت تشعشعی ، کیفیت سطح جسم دریافت کننده است. به طور کلی سطوح زبر قابلیت انعکاس کم و قابلیت های تابش و جذب زیادی دارند و برعکس سطوح صاف و صیقلی دارای قابلیت انعکاس زیاد و قابلیت تابشی و جذب کم هستند.

فرمول انتقال حرارت تشعشعی :

طبق تعریف ارائه شده در استاندارد ۵۵ انجمن ASHRAE شرایط آسایش از نظر حرارتی عبارتند از :

شرایطی که در آن مغز و فکر احساس رضایت کنند. هیچ سیستمی به صورت کامل رضایت بخش نیست مگر اینکه سه عامل اصلی کنترل کننده انتقال حرارت از انسان (یعنی تشعشع ، جابجایی و تبخیر) باعث شوند بدن از نظر حرارتی به تعادل برسد. در شرایط اقلیمی نامساعد نیز با انتقال حرارت تشعشعی می توان شرایط مناسب برای آسایش انسان را تامین کرد.

اگر سیستم خوب طراحی شده باشد، افراد نباید گرم یا سرد شدن محیط را تشخیص دهند. درجه حرارت متوسط تشعشع اثر شدیدی بر احساس آسایش افراد دارد. هنگامی که اختلاف درجه حرارت سطوح ساختمان (بخصوص دیوارهای خارجی که مقدار زیادی شیشه دارند) با محیط زیاد باشد، گاهی اوقات سیستم های جابجایی در مقابله با احساس عدم آسایش به دلیل وجود سطوح سرد و گرم با مشکلاتی مواجه هستند. با استفاده از پنل های سرمایش و گرمایش این نقص برطرف خواهد شد و مقدار اتلاف یا جذب تشعشع توسط بدن به حداقل خواهد رسید.

اکثر مصالح ساختمانی دارای سطوحی هستند که مقدار ضریب تابش آنها نسبتا زیاد است و بنابرین مقداری از حرارت تشعشعی را جذب، بازتاب و منعکس می کنند. استفاده از پنل تشعشعی برای تامین گرمایش موثر است زیرا حرارت تشعشعی توسط سطوح بازتابش کننده ، جذب و منعکس می گردد و به درون مصالح ساختمان انتقال نخواهد یافت. چون شیشه برای طول های موج های تابش شده از یک پنل فعال به صورت جسم مات عمل می کند، بنابرین اندکی از حرارت تشعشعی با طول موج بلند را عبور خواهد داد

پیش‌تر در وبلاگ فرادرس در مورد و صحبت شد. در این قسمت قصد داریم تا در مورد روش سوم انتقال حرارت که تحت عنوان انتقال حرارت تشعشعی -یا همان تابشی- شناخته می‌شود، بحث کنیم.

«تابش» (Radiation) عبارت است از انتقال حرارتی که از طریق امواج الکترومغناطیسی صورت می‌گیرد. از آنجایی که این امواج با سرعت نور منتقل می‌شوند،‌ بنابراین سرعت انتقال انرژی در این حالت نیز برابر با سرعت نور است. شاید به همین دلیل است که دستگاه مایکروویو غذا را با سرعت نور گرم می‌کند چرا که مکانیزم آن مبتنی بر انتقال حرارت تشعشعی است!

ساختار یک موج الکترومغناطیسی

اولین بار مفهوم انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی توسط «جیمز کلارک ماکسول» (James Clerk Maxwell)، دانشمند اسکاتلندی مطرح شد. او نشان داد که انتقال انرژی نیز با سرعت نور اتفاق می‌افتد. معمولا امواج الکترومغناطیسی را بر اساس فرکانس و طول موجشان دسته‌بندی می‌کنند. ارتباط میان طول موج و فرکانس به صورت زیر است.

λ =c/ν

در رابطه بالا λ و ν به ترتیب برابر با طول موج و فرکانس هستند. هم‌چنین مقدار c سرعت نور را نشان می‌دهد که اندازه آن برابر با ۱۰^۸×۲.۹۹ متر بر ثانیه است. رابطه بالا نشان می‌دهد که طول موج و فرکانس رابطه‌ای عکس با یکدیگر دارند. در حقیقت بزرگ بودن یکی از آن‌ها کوچک بودن دیگری را معنی می‌دهد.

عدد بیان شده در بالا،‌ سرعت نور در خلا را نشان می‌دهد. واقعیت این است که این مقدار در محیط‌های مختلف متفاوت است. از این رو برای بدست آوردن سرعت نور در محیطی به جز خلا، از رابطه زیر استفاده می‌شود.

c = c₀/n

در این رابطه n ضریب شکست محیطی است که میخواهیم سرعت نور را در آن بیابیم. برای هوا این ضریب را تقریبا برابر با ۱ و برای آب ۱.۵ در نظر می‌گیرند. توجه داشته باشید که فرکانس یک موج الکترومغناطیسی فقط به منبع انتشار آن وابسته است و به بستری که در آن، موج منتشر می‌شود، ارتباطی ندارد.

واحد فرکانس برابر با سیکل در ثانیه است. جالب است بدانید که برای بسیاری از پدیده‌ها می‌توان از این مفهوم بهره برد. برای مثال همین الان که در حال خواندن این مطلب هستید، می‌توانید عددی تحت عنوان تعداد کلمات خوانده شده در ثانیه را تعریف کنید. این عدد در حقیقت فرکانس مطالعه شما است! فرکانس یک موج می‌تواند از چند سیکل در ثانیه تا میلیون‌ها سیکل در ثانیه متغیر باشد.

در ابتدای قرن بیستم، انیشتین نظریه جدیدی را در مورد انتشار امواج تابشی ارائه کرد. بر مبنای این تئوری، انتقال انرژی عبارت است از انتقال بسته‌هایی از انرژی، که «فوتون» (Photon) نامیده می‌شوند. برای هر کدام از این بسته‌ها می‌توان فرکانسی برابر با ν [تلفظ این نماد نو است] تعریف کرد. با توجه به فرکانس اختصاص داده شده به آن‌ها می‌توان گفت انرژی هر کدام از این بسته‌ها برابر با مقدار زیر است.

e = h×ν = hc/λ

در رابطه بالا h مقداری ثابت،‌ برابر با^34-۱۰×۶.۶۲۵ است که آن را «ثابت پلانک» (Planck’s constant) می‌نامند. توجه داشته باشید که همواره در این فرض مقادیر c و h اعداد ثابتی هستند. از این رو می‌توان گفت انرژی بسته‌ها یا همان فوتون‌ها، فقط به طول موج آن‌ها وابسته است. از رابطه بالا می‌توان فهمید که طول موج پایین‌تر به معنای انرژی بیشتر فوتون است. برای نمونه «امواج ایکس» (X-rays) و یا «گاما» (Gamma) دارای طول موج بسیار کمی هستند، از این رو دارای انرژی بالایی بوده و می‌توانند بسیار مخرب باشند.

شکل زیر طیفی از طول موج‌های مختلف را نشان می‌دهد. همان‌طور که در آن پیدا است، طول موج می‌تواند از ^۱۰–۱۰ تا ۱۰^۱۰ میکرومتر متغیر باشد. جالب است بدانید که امواج کیهانی کمترین طول موج و الکتریکی بیشتر طول موج را دارند.

همان‌طور که در شکل مشخص شده، انتقال امواج حرارتی در طول موج بین ^۱–۱۰ تا ۱۰^۲ اتفاق می‌افتد. علت اصلی انتقال حرارت به روش تشعشع، حرکات دورانی و ارتعاشی مولکول‌ها،‌ اتم‌ها و الکترون‌ها است. در حقیقت مقدار دما برآیند این تحرکات را نشان می‌دهد. از این رو افزایش دما باعث افزایش نرخ انتقال حرارت تابشی می‌شود.

مفهومی که آن را با عنوان نور می‌شناسیم در حقیقت بخش مرئی از طیف الکترومغناطیسی است. شکل بالا نشان می‌دهد که طول موج نوری زیر مجموعه طول موج حرارتی است.

انتقال حرارت تشعشعی،‌ پدیده‌ای حجمی است. البته برای اجسام ماتی همچون فلزات، تابش به صورت سطحی اتفاق می‌افتد. توجه داشته باشید که مشخصه‌های تابشی یک سطح می‌تواند با روکش کردن آن با لایه‌های جدید، انجام شود.

تابش جسم سیاه

به جسمی که کامل‌ترین جذب کننده و ساطع کننده انرژی در یک طول موج خاص باشد، «جسم سیاه» (Black Body) گفته می‌شود. در یک دما و طول خاص هیچ‌ جسمی نمی‌تواند بیشتر از جسم سیاه انرژی ساطع کند. از نظر تئوری یک جسم سیاه،‌ انرژی را در تمامی جهات به طور یکنواخت جذب می‌کند. اما انرژی جذب شده، وابسته به جهت تابش موج رسیده به آن است.

میزان انرژی ساطع شده از یک جسم سیاه، در واحد زمان و در واحد سطح را می‌توان با استفاده از قانون استفان-بولتزمن (Stefan-Boltzman) محاسبه کرد.

قانون استفان بولتزمن

در رابطه بالا T دمای مطلق سطح جسم سیاه است که بر حسب کلوین بیان می‌شود. همچنین E_b را توان گسیل جسم سیاه می‌نامند. برای نمونه می‌توان یک محفظه بسته که دارای حفره‌ایی کوچک است را مدل‌سازی خوبی برای جسم سیاه دانست. توان تشعشعی جسم سیاه برابر با میزان انرژی ساطع شده از آن در واحد زمان،‌ سطح و طول موج است. این کمیت را با نماد E_bλ نشان می‌دهند. قانون توزیع پلانک بیان می‌کند که برای چنین جسمی رابطه میان E_bλ با دما و طول موج به صورت زیر است.

توجه داشته باشید که در واقعیت این رابطه برای محیط خلا و یا گاز صادق است. برای دیگر محیط‌ها می‌توان از C₁/n² به جای C₁ استفاده کرد. n نیز همان ضریب شکست محیط است که در بالا به آن اشاره کردیم

منبع : گرماتاب