logo

logo

logo

logo

logo

الإشعاع الحراري

اشعاع حراري

Thermal radiation - Radiation thermique

 الشكل

الإشعاع الحراري

الجسم الأسود

قانون ستيفان- بولتزمان:

قانون بلانك

تطبيقات الإشعاع الحراري

 

 

الإشعاع الحراري thermal radiation هو إشعاع كهرطيسيelectromagnetic يصدر عن المادة تلقائياً عند درجة حرارة معينة، وهو ناجم عن الحركة الاهتزازية والدورانية للجزيئات والذرات والإلكترونات، ولا يحتاج إلى وسط مادي للانتشار. وقد اكتشف عند تحليل أشعة الشمس أو الأشعة الصادرة عن قوس كهربائية بوساطة موشور زجاجي. يعطي الإشعاع الحراري طيفاً متصلاً يحوي جميع الأطوال الموجية المرئية visible spectrum وغير المرئية التي تتضمن الأشعة تحت الحمراء infrared والأشعة فوق البنفسجيةultraviolet (الشكل 1). يسبب ارتفاع درجة حرارة الجسم زيادة في اهتزاز جزيئاته، وبالتالي ينتج من ذلك خروج موجات حاملة للطاقة الحرارية، هذه الموجات هي موجات كهرطيسية electromagnetic waves. فإذا سقطت هذه الأشعة على جسم يقبل امتصاصها فإن درجة حرارته ترتفع، ولا يوجد جسم يستطع أن يمتص جميع الأشعة الحرارية الساقطة عليه.

الوصف: الوصف: 66-1.psd

الشكل (1) ء

يصدر الجسم عند درجة تقارب500° س إشعاعاً حرارياً مرئياً. أما عند درجات حرارة أخفض فإنه يصدر إشعاعاً في المجال تحت الأحمر، وعند درجات الحرارة الأعلى من الدرجة 500 ° س يكون الإصدار للإشعاعات في المجال فوق البنفسجي.

الشمس هي خير مثال على جسم مصدر للإشعاعات الحرارية؛ إذ تبلغ درجة حرارة سطحها 6000° كلڤن، ويمتد طيف ضوئها مما تحت الأحمر إلى ما فوق البنفسجي، ويقع الإشعاع ذو الشدة العظمى عند طول موجي يقارب 0.5 مكرون.

بينت التجربة أن الإشعاع الحراري الصادر من الجسم يتعلق بدرجة حرارة الجسم وبطبيعة سطحه. وتُعرف طاقة الإشعاع الكلي الصادر عن الجسم خلال واحدة الزمن ومن واحدة المساحة من سطح الجسم بالإصدارية الإشعاعية للجسم radiant emittance. وإن بعض الأشعة التي تسقط على الجسم يتم امتصاصها من قبله، وقسم آخر ينعكس عن سطحه، في حين يستطيع القسم المتبقي النفوذ خلاله. وبصورة عامة فإن امتصاص جزء الإشعاع الساقط على الجسم من جميع الأطوال الموجية يتعلق أيضاً بدرجة حرارة الجسم وبطبيعة سطحه، هذا الجزء الممتص يدعى الامتصاصية absorptance. من الناحية النظرية يمكن تصور وجود مادة مثالية قابلة لامتصاص جميع الإشعاعات الحرارية الساقطة عليها؛ مثل هذا الجسم يدعى الجسم الأسود black body.

الجسم الأسود

يُعرَّف الجسم الأسود بأنه الجسم الذي يستطيع إصدار جميع الإشعاعات الحرارية الساقطة عليه أو امتصاصها. ويمكن إعطاء صورة توضيحية عن هذا الجسم؛ بتصور صندوق مجوف مغلق يحتوي على ثقب صغير يمر عبره شعاع إلى داخله، فإن هذا الشعاع يعاني عدة انعكاسات على جدران الصندوق حتى يتم امتصاصه بالكامل داخل الصندوق (الشكل 2).

الشكل (2)

تختلف شدة الإشعاع الحراري الصادر عن الجسم الأسود باختلاف درجة حرارة الجسم، كما أن شدة هذا الإشعاع تختلف باختلاف طول موجة الإشعاع الحراري الصادر (الشكل3).

الشكل (2)

 

الشكل (3)

 وتتعلق طاقة فوتون الإشعاع الصادر عن الجسم الأسود بطول الموجة الوصف: الوصف: 4899.jpgأو تردد الإشعاع الوصف: الوصف: 4891.jpgبالعلاقة (1):

الوصف: الوصف: 4883.jpg

حيث: (جول X ثانية) (J.s) الوصف: الوصف: 4874.jpgثابت بلانك و c سرعة الضوء في الخلاء.

يمكن البرهان نظرياً على أن الإشعاع الحراري الصادر عن الجسم الأسود مستقل عن مادة الجسم، ولذلك أوجدت عدة قوانين عرفت باسم قوانين الإشعاع الحراري.

قانون ستيفان- بولتزمان:

في سنة 1879 اقترح ستيفان أن الإشعاع الكلي الصادر من أي جسم يتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارته المطلقة (الوصف: الوصف: 4862.jpg) ومع مساحة سطحه (A)، وكان هذا الاقتراح مبنياً على النتائج التي توصل إليها تندال Tyndall عن طريق قياس معدل انبعاث الحرارة بالإشعاع من سلك ساخن من البلاتين. وفي سنة 1884 تمكن بولتزمان Boltzmann من إثبات قانون ستيفان نظرياً من قوانين التحريك الحراري thermodynamics؛ إذ وجد أن القانون لا ينطبق إلا على الأجسام السوداء المثالية، وسُمي القانون بعد ذلك بقانون ستيفان – بولتزمان، ويعطى بالعلاقة الرياضية (2):

الوصف: الوصف: 4849.jpg

حيث (E) الطاقة الكلية للإشعاع الصادر في الثانية الواحدة من مساحة سطح الجسم الأسود في درجة حرارة مطلقة قدرها (T)، و(الوصف: الوصف: 4838.jpg) ثابت يسمى ثابت ستيفان، وهو:

(واط /م2 ك4) (الوصف: الوصف: 4829.jpg). إن الجسم الأسود المثالي غير موجود في الخلاء معزولاً وإنما يوجد في وسط محيط به. فإذا وضع جسم درجة حرارته (T K) في وسط درجة حرارته (To K) فإن الطاقة الصافية من سطح الجسم في الثانية هي العلاقة )3):

الوصف: الوصف: 4820.jpg

ينص قانون كيرشوف في الإشعاع على أن معدل الإشعاع الصادر أو الممتص من الجسم لا يتعلق فقط بدرجة الحرارة وسطح الجسم وإنما يتعلق أيضاً بطبيعته، وبالتالي يمكن التعبير عن قانون ستيفان- بولتزمان في الحالة العامة بالعلاقة (4):

الوصف: الوصف: 4811.jpg

أو بالعلاقة (5):

الوصف: الوصف: 4802.jpg

حيث الوصف: الوصف: 4794.jpgهو ثابت يمثل إصدارية الجسم، قيمته الوصف: الوصف: 4786.jpg، فهو يساوي الواحد من أجل الجسم الأسود المثالي، وأصغر من الواحد من أجل الأجسام الأخرى التي تدعى بالرمادية.

قانون رايلي-جينز:

إن الجسم الأسود يصدر إشعاعاً متصلاً يحتوي على كامل الأطوال الموجية؛ من الصفر حتى اللانهاية. وقد توصل كل من العالمين رايلي وجينز إلى أن الجسم الأسود مؤلف من عدد كبير جداً من المهتزات المشحونة التي تتحرك بحركة توافقية بسيطة simple harmonic motion ؛ مطلقة إشعاعات كهرطيسية. وبالتالي فإن عدد الاهتزازات في واحدة الحجم والمسؤول عن كثافة الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود يُعطى بالعلاقة (6):

الوصف: الوصف: 4778.jpg

حيث الوصف: الوصف: 4769.jpgطول موجة الإشعاع، وبالتالي تكون طاقة هذا العدد من الاهتزازات من أجل درجة حرارة معينة معطاة بالعلاقة (7):

الوصف: الوصف: 4758.jpg

حيث k ثابت بولتزمان، أما kT تمثل متوسط طاقة الاهتزازات.

قانون بلانك

لم يوفق قانون رايلي - جينز بتفسير طيف إشعاع الجسم الأسود على نحو كامل، لاعتماده على الفرضيات الكلاسيكية في الفيزياء، لذلك اقترح ماكس بلانك عام 1901 فرضية جديدة لتفسير طيف إشعاع الجسم الأسود معتمداً على مبدأ تكمية الإشعاع وفقاً للنظرية الكمومية. ووضع الفرضيتين التاليتين:

1 - تتناسب كمية الطاقة الصادرة أو الممتصة من قبل اهتزازات الجسم الأسود طرداً مع تواتر الاهتزاز؛ أو عكساً مع طول الموجة الوصف: الوصف: 4748.jpg، أي (العلاقة 8):

الوصف: الوصف: 4740.jpg

2 - تأخذ طاقة الاهتزاز قيماً محددة منفصلة (مكماة)، أي (العلاقة 9):

الوصف: الوصف: 4731.jpg

حيث n=0,1,2,… عدد صحيح.

على أساس هاتين الفرضيتين تمكن بلانك من اشتقاق قانون لتفسير طيف إشعاع الجسم الأسود متفقاً مع النتائج التجريبية، يعطى بالعلاقة (10):

الوصف: الوصف: 4722.jpg

والتي يمكن كتابتها بالشكل التالي (العلاقة 11):

الوصف: الوصف: 4713.jpg

تطبيقات الإشعاع الحراري

يستفاد من طيف الإشعاع الحراري الواسع في مجال كبير من الحياة اليومية والتطبيقات الصناعية؛ إذ يمكن استخدام الإشعاع الحراري في قياس درجات الحرارة العالية عن طريق مقياس البيرومتر pyrometer الذي يعمل على مبدأ مقارنة شدة الإشعاع الحراري للجسم مع شدة إشعاع منبع حراري معلوم من العلاقة (12):

الوصف: الوصف: 4704.jpg

حيث الوصف: الوصف: 4696.jpgو الوصف: الوصف: 4686.jpgشدة إشعاع ودرجة حرارة المنبع المعلوم على الترتيب، وبالتالي حساب درجة حرارة الجسم المجهول T.

كما يمكن باستخدام مناطق مختلفة من طيف الإشعاع الحراري مثل الأشعة تحت الحمراء؛ وأمواج الرادار المكرومترية للكشف عن مصادر الثروات الطبيعية، وفي الطب للكشف عن الأورام، إضافة إلى استخدامها في أجهزة الرؤية الليلية. وهناك استخدامات أخرى كثيرة لهذه الإشعاعات مثل الأثر الكهرحراري والكواشف الحرارية والاستشعار من بعد وغيرها.

 

كنج الشوفي

 

 

مراجع للاستزادة:

- فلاديمير ناشوكين، الترموديناميكا الهندسية والنقل الحراري، دار مير، موسكو 1980.

- P. Haines (Ed.), Principles of Thermal Analysis and Calorimetry, Royal Society of Chemistry, 2002.

- J. R. Howell, R. Siegel, M. Menguc, Thermal Radiation Heat Transfer, CRC Press, 2010.

 

 


التصنيف : الحرارة والترموديناميك
النوع : الحرارة والترموديناميك
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 72
الكل : 13712484
اليوم : 6243