Кіріспе
Термиялық сәулелену – материядағы бөлшектердің термиялық қозғалысынан туындайтын электромагниттік сәулелену. Термиялық сәулелену материя және вакуум арқылы электромагниттік толқын ретінде тарайды. Материя термиялық сәулеленуді сіңірген кезде оның температурасы көтерілуге бейім. Абсолюттік нөлден жоғары температурасы бар барлық материя термиялық сәулеленуді шығарады. Энергияның шығарылуы материалдағы электрондық, молекулалық және кристалдық тербелістердің комбинациясынан туындайды. Кинэтикалық энергия зарядтың үдеуі немесе дипольдік тербеліс арқасында электромагнетизмге айналады. Бөлме температурасында эмиссияның көп бөлігі инфрақызыл (ИК) спектрінде болады. Термиялық сәулелену – жылуды берудің негізгі механизмдерінің бірі, сондай-ақ жылу өткізгіштігі және конвекция. Күннің Жерге жылуды беруінің басты әдісі – термиялық сәулелену. Бұл энергия атмосферада жартылай сіңіріліп, шашыратылады, осы процестің нәтижесінде аспан көк түсті болып көрінеді. Планк заңы қара дене сәулеленуінің спектрін сипаттайды және денеден шығатын сәулелі жылу ағынын оның температурасына байланыстырады. Виннің ығысу заңы сәулеленудің ең мүмкін жиілігін анықтайды, ал Стефан-Болцман заңы сәулеленудің қарқындылығын көрсетеді. Термиялық сәулелену – жылу энергиясының электромагниттік энергияға айналуын көрсетеді. Жылу энергиясы – материядағы атомдар мен молекулалардың кездейсоқ қозғалысының кинетикалық энергиясы. Ол нөлдік емес температурасы бар барлық материяда кездеседі. Бұл атомдар мен молекулалар зарядталған бөлшектерден, яғни протон мен электроннан тұрады. Материя бөлшектері арасындағы кинетикалық әрекеттесу зарядтың үдеуіне және дипольдік тербеліске әкеледі. Бұл байланысты электр және магнит өрістерін электродинамикалық түрде тудырады, нәтижесінде фотондар шығарылып, денеден энергия таралады. Электромагниттік сәулелену, соның ішінде көрінетін жарық, вакуумда шексіз тарайды. Термиялық сәулеленудің сипаттамалары одан шығатын беттің температурасы және Кирхгоф заңымен көрсетілген спектрлік эмиссивтілік сияқты әртүрлі қасиеттеріне байланысты. Архимедтің жылу сәулелері туралы әңгімеге сәйкес, Архимед Сиракуза қамалы кезінде (шамамен б.з.д. 213–212 жж.) римдік кемелерді өртеу үшін жылу сәулелерін шоғырландыруға арналған айналар жасады делінеді, бірақ сол кезден бері ешқандай дерек расталмаған. Ол қара түсті киімдердің ақ түсті киімдерге қарағанда күн сәулесінде көбірек қызып кететінін анықтады. Ол жасаған тәжірибелердің бірінде күн сәулесі түскен қарға әртүрлі түсті мата тіктөртбұрыштарын жапты. Біраз уақыттан кейін ол қара түсті бөліктердің қарға ең терең батып, ең көп қарды ерітетінін байқады.
Thermal radiation is electromagnetic radiation emitted by the thermal motion of particles in matter. Thermal radiation transmits as an electromagnetic wave through both matter and vacuum. When matter absorbs thermal radiation its temperature will tend to rise. All matter with a temperature greater than absolute zero emits thermal radiation. The emission of energy arises from a combination of electronic, molecular, and lattice oscillations in a material. Kinetic energy is converted to electromagnetism due to charge acceleration or dipole oscillation. At room temperature, most of the emission is in the infrared (IR) spectrum. Thermal radiation is one of the fundamental mechanisms of heat transfer, along with conduction and convection. The primary method by which the Sun transfers heat to the Earth is thermal radiation. This energy is partially absorbed and scattered in the atmosphere, the latter process being the reason why the sky is visibly blue. Planck's law describes the spectrum of blackbody radiation, and relates the radiative heat flux from a body to its temperature. Wien's displacement law determines the most likely frequency of the emitted radiation, and the Stefan–Boltzmann law gives the radiant intensity. Thermal radiation reflects the conversion of thermal energy into electromagnetic energy. Thermal energy is the kinetic energy of random movements of atoms and molecules in matter. It is present in all matter of nonzero temperature. These atoms and molecules are composed of charged particles, i. e., protons and electrons. The kinetic interactions among matter particles result in charge acceleration and dipole oscillation. This results in the electrodynamic generation of coupled electric and magnetic fields, resulting in the emission of photons, radiating energy away from the body. Electromagnetic radiation, including visible light, will propagate indefinitely in vacuum. The characteristics of thermal radiation depend on various properties of the surface from which it is emanating, including its temperature and its spectral emissivity, as expressed by Kirchhoff's law. According to the Archimedes' heat ray anecdote, Archimedes is purported to have developed mirrors to concentrate heat rays in order to burn attacking Roman ships during the Siege of Syracuse (c. 213–212 BC), but no sources from the time have been confirmed. He found that darker color clothes got hotter when exposed to sunlight than lighter color clothes. One experiment he performed consisted of placing square pieces of cloth of various color out in the snow on a sunny day. He waited some time and then measured that the black pieces sank furthest into the snow of all the colors, indicating that they got the hottest and melted the most snow.
Калорикалық теория
Антуан Лавуазье жылу сәулеленуінің физикалық дененің құрамына кіретін материалға емес, оның бетінің жағдайына байланысты екенін санайтын. Лавуазье нашар сәулелендіргішті жылтыратылған немесе тегіс беті бар зат деп сипаттады, себебі оның молекулалары тығыз байланысқан жазықтықта орналасқан, осылайша ішіндегі жылудың шығуына кедерілес ететін калориялық сұйықтықтың беттік қабатын құрайды. 1790 жылы Марк Огюст Пиктет жүргізген әйгілі тәжірибеде, айналар жиынтығы суық дененің "суытқыш сәулелерін" шоғырландырғанда термометр төмен температураны көрсеткені хабарланды. 1791 жылы Пиктеттің әріптесі Пьер Превост сәулелену тепе-теңдігі тұжырымын ұсынды, онда барлық дененің жылуды сәулелендіру және сіңіру қабілеті болады. Егер дененің температурасы қоршаған ортадан төмен болса, ол шығаратын жылудан гөрі көбірек жылуды сіңіреді, осылайша температурасы тепе-теңдікке жеткенше көтеріледі. Тіпті тепе-теңдік күйінде де ол жылуды сәулелендіруді жалғастырады, сіңіру мен шығару арасындағы тепе-теңдікті сақтайды.
Эфир теориясы
Біріншіден, эфир деп аталатын гипотетикалық орта тұжырымдамасынан туындаған бұрынғы теория. Эфир барлық эвакуацияланған немесе эвакуацияланбаған кеңістіктерді толтырады деп есептелген. Жарық немесе сәулелі жылудың таралуы эфирде электромагниттік толқындардың таралуы арқылы жүзеге асырылады. Телевизия және радио хабар тарату толқындары – нақты толқын ұзындығына ие электромагниттік толқындардың түрлері. Барлық электромагниттік толқындар бірдей жылдамдықпен қозғалады, сондықтан қысқа толқын ұзындығы жоғары жиілікпен байланысты. Кез келген дене немесе сұйықтық эфирге батып жатқандықтан, молекулалардың дірілдеуіне байланысты электромагниттік толқынды тудыруы мүмкін. Барлық денелер өзінің жинақталған энергиясы есебінен электромагниттік толқындарды жасайды және қабылдайды. Бұл байланыс Стефан-Болцман заңы деп белгілі.
Температура
Қара дененің жалпы сәулелену қарқындылығы абсолютті температураның төртінші дәрежесімен өседі, бұл Стефан-Болцман заңымен сипатталады. Ас үйдегі пеш, абсолютті температура шкаласында бөлме температурасынан екі есе жоғары температурада (600 К-ке қарсы 300 К) бірлік ауданына 16 есе көп қуат сәулелендіреді. Көпір шамдағы жіпше температурасындағы объекті – шамамен 3000 К, немесе бөлме температурасынан 10 есе жоғары – бірлік ауданына 10 000 есе көп энергия сәулелендіреді. Фотон статистикасына қатысты, жылулық жарық супер-Пуассон статистикасына бағынады.
Негізгі қағидалар
Жылу сәулеленуі – жылу берудің үш негізгі механизмінің бірі. Ол дененің температурасының салдарынан электромагниттік сәулелену спектрінің шығарылуын қамтиды. Басқа механизмдер – конвекция және жылу өткізгіштік.
Электромагниттік толқындар
Жылу сәулеленуі өткізгіштік пен конвекциядан өзгешелігі, оған орта қажет болмайды және тіпті вакуумде ең жоғары тиімділікке жетеді. Жылу сәулеленуі – электромагниттік сәулеленудің бір түрі, ол көбінесе толқындардың таралуы арқылы модельделеді. Бұл толқындар стандартты толқын қасиеттеріне ие: жиілік және толқын ұзындығы, олар ортадағы жарық жылдамдығы арқылы байланыстырылатын теңдеумен сипатталады.
Сәулелену
Жылу сәулеленуі – бірлік ауданына түсетін сәулеленудің жылдамдығы. (Яғни, "қара дене" термині объектінің көзбен қабылданатын түсімен әрқашан сәйкес келе бермейді). "Қара түс = жоғары эмиссивтілік/абсорбция" деген ескертуге бағынбайтын материалдар, көбінесе, функционалдық спектрлік эмиссивтілік/абсорбцияға тәуелді болады. Тек нағыз сұр жүйелер ғана (салыстырмалы эквивалентті эмиссивтілік/абсорбция және қарастырылып отырған барлық бақылау көлеміндегі денелерде бағыттық өткізгіштікке тәуелділік болмаған жағдайда) Стефан-Болцман заңы арқылы тұрақты күйдегі жылу ағынының дұрыс есебін табуға мүмкіндік береді. Бұл "идеалды түрде есептеуге болатын" жағдайға кездесу өте сирек (дегенмен, инженерлік тәжірибеде белгісіз шамалардың тәуелділігін ескермей, осылай деп қарастырылады). Оптимистік тұрғыдан алғанда, бұл "сұр" жуықтаулар нақты шешімдерге жақындауы мүмкін, себебі көптеген жағдайларда Стефан-Болцман заңынан ауытқулар өте шағын болады (әсіресе, стандартты температура және қысымдағы зертханалық жағдайларда).
Жарық түсіру қабілеті
Шағылыстыру басқа қасиеттерден өзгеше, себебі ол екі бағытты табиғатқа ие. Яғни, бұл қасиет сәулеленудің түсу бағытына және шағылысу бағытына тәуелді. Сондықтан, нақты бетке белгілі бір бағытта түскен сәулелену спектрінің шағылысқан сәулелері болжау қиын, дұрыс емес пішін құрайды. Іс жүзінде, беттер көбінесе толықтай көкжиекті немесе диффузды түрде шағылысады деп есептеледі. Көкжиекті шағылысуда шағылысу және түсу бұрыштары тең болады. Диффузды шағылысуда сәулелену барлық бағытта бірдей таралады. Тегіс және жылтыратылған беттерден шағылысу көкжиекті шағылысқа жатады, ал кедір-бұдыр беттерден шағылысу диффузды шағылысқа жақымдау келеді. Қара денелер – идеалды беттер, олар толық сіңіруші және сәуле шығарушы болып табылады. Ол Планк заңы бойынша бірлік толқын ұзындығында былай беріледі: Бұл формула математикалық тұрғыдан, сәулеленуші объектімен толық жылулық тепе-теңдіктегі квантталған электромагниттік өрістің энергия спектрін есептеуден туындайды. Планк заңы сәулелену энергиясы температурамен бірге артатынын көрсетеді және сәулелену спектрінің ең жоғары нүктесі жоғары температурада қысқа толқын ұзындығына қарай жылғалатынын түсіндіреді. Сондай-ақ, температураның өсуімен қысқа толқын ұзындығындағы энергия ұзын толқын ұзындығына қарағанда жылдам артатыны анықталады. Теңдеу жартылай сфера аймағындағы барлық мүмкін жиіліктердің шексіз қосындысы ретінде шығарылады. Әрбір фотонның энергиясы, , сол жиілікте қол жетімді күйлер санына және осы күйлердің әрқайсысының иелену ықтималдығына көбейтіледі.
Стефан-Болцман заңы
Планк үлестірілімін қара дененің спектрлік сәуле шығару қабілетін анықтау үшін былай қолдануға болады: Бұл қаптаманы қосу арқылы терезеден шығатын радиация мөлшерін шектейміз, соның салдарынан терезенің ішінде сақталатын жылу мөлшерін арттырамыз.
Ғарыш кемесі
Жарқыраған металл беттерінің көрінетін және алыс инфрақызыл толқын ұзындықтарында сәуле шығару қабілеті төмен болады. Мұндай беттерді жылуды екі бағытта да азайту үшін пайдалануға болады; мысалы, ғарыш кемесін жылу оқшаулау үшін қолданылатын көп қабатты оқшаулау. Кез келген электромагниттік сәулелену, оның ішінде жылулық сәулелену, энергиямен бірге импульс та жеткізетіндіктен, жылулық сәулелену сәуле шығаратын немесе сіңіретін заттарға өте шағын күштер әсер етеді. Әдетте бұл күштер көзге көрінбейді, бірақ ғарыш кемелерінің бағытталуын есепке алғанда оларды назарға алу қажет. «Пионер аномалиясы», яғни кеменің қозғалысы гравитациядан күтілгеннен сәл өзгеше болған жағдай, ақырында ғарыш кемесінен асимметриялық жылулық сәулеленудің салдары екені анықталды. Сол сияқты, астероидтардың орбиталары да өзгеріске ұшырайды, себебі астероид Күнге қараған бетімен күн сәулесін сіңіреді, ал кейін энергияны басқа бұрышта қайтарады, астероидтың айналуы салдарынан ыстық бет Күннен алыстайды (YORP эффектісі).
Наноқұрылыстар
Спектрлік селективті жылу шығару қасиеттеріне ие наноқұрылымдар энергия өндіру және тиімділікті арттыру үшін көптеген технологиялық қолданыстарды ұсынады, мысалы, фотоэлектрлік жасушалар мен ғимараттарды күндізгі радиациялық салқындату үшін. Бұл қолданыстар 8-ден 13 микронға дейінгі толқын ұзындығы диапазонындағы атмосфералық мөлдірлік терезесіне сәйкес келетін жиілік диапазонында жоғары эмиссияны талап етеді. Осы диапазонда күшті сәулелендіретін селективті эмитер ашық аспанға бағытталғандықтан, сыртқы ғарышты өте төмен температуралы жылу шоғырлағыш ретінде пайдалануға болады.
Метаболистік температураны реттеу
Практикалық жағдайда, бөлме температурасында адамдар ауаға жылу өткізгіштігі арқылы (бір мезгілдегі конвекция немесе жел соғу сияқты ауа қозғалысының көмегімен) жоғалғаннан өзге, инфрақызыл сәулелену арқылы да маңызды мөлшерде энергия жоғалтады. Жоғалған жылу энергиясы қабырғалар немесе басқа қоршаған ортадан жылу сәулесін сіңіру арқылы ішінара қалпына келтіріледі. Адам терісінің сәуле шығару қабілеті 1.0-ға өте жақын. Шамамен 2 м² беті бар және 307 К температурадағы адам, үздіксіз шамамен 1000 Вт сәулелендіреді. Егер адамдар үй ішінде 296 К температурадағы беттермен қоршалған болса, олар қабырғалардан, төбеден және басқа да қоршаған ортадан шамамен 900 Вт жылу алады, нәтижесінде 100 Вт таза жылу шығыны болады. Бұл бағалаулар киім кию сияқты сыртқы факторларға өте байланысты. Ашық түстер, ақ түс және металл заттар жарық сәулесін аз сіңіреді, сондықтан аз қызады. Дегенмен, түс күнделікті температурадағы зат пен оның қоршаған ортасы арасындағы жылу алмасуға көп әсер етпейді. Өйткені, басым сәулелену ұзындықтары көрінетін спектрде емес, инфрақызыл спектрде болады. Бұл ұзындықтағы сәуле шығару қабілеті көрінетін түстермен тікелей байланысты емес; ал инфрақызыл сәулелерде көптеген заттардың сәуле шығару қабілеті жоғары болады. Сондықтан, күн сәулесінен басқа жағдайда, киімнің түсі жылуға көп әсер етпейді; сондай-ақ, үйдің сыртқы бояуы күнге түскен бөлігінен басқа жылуды өзгертпейді.
Жалын
Жылу сәулеленуі – теріні күйдіретін және тұтанғыш материалдарды тұтандыратын құбылыс. Жылу сәулеленуіне ұшырағаннан зақымдануға дейінгі уақыт, жылу беру жылдамдығына байланысты өзгереді. Радиациялық жылу ағыны мен оның әсерлері төменде көрсетілген:
кВт/м2 Әсері 170 Жалыннан кейін бөлікте өлшенген максималды ағын 80 Жеке қорғаныш құралдарының жылулық қорғаныс қабілетін сынау 52 Фибра тақтасы 5 секундта тұтанады 29 Ағаш, белгілі бір уақыт ішінде тұтанады 20 Тұрғын үй бөлмесі еденінің деңгейінде жалынның басталуы 16 Адам терісі: кенеттен қатты ауырсыну және 5 секундтен кейін екінші дәрежелі күйік көпіршіктері 12.5 Ағаш пиролиз процесі арқылы тұтанатын заттарды бөліп шығарады 10.4 Адам терісі: 3 секундтан кейін ауырсыну, 9 секундтан кейін екінші дәрежелі күйік көпіршіктері 6.4 Адам терісі: 18 секундтан кейін екінші дәрежелі күйік көпіршіктері 4.5 Адам терісі: 30 секундтан кейін екінші дәрежелі күйік көпіршіктері 2.5 Адам терісі: ұзақ уақыт әсер еткеннен кейін күйіп қалу, өрт сөндіру кезінде кездесетін сәулелену ағыны 1.4 Күн сәулесі, 30 минут ішінде күйік шалу мүмкіндігі. Күннен күйік – термиялық күйік емес. Ол ультракүлгін сәулеленуден жасушалардың зақымдануынан туындайды.
Жақын өрістегі сәулелі жылу беру
Сәулеленген электромагниттік толқынның толқын ұзындығына тең немесе одан кіші қашықтықтарда Планк заңы дәл болмайды. Мұндай кішкентай және жақын орналасқан денелер үшін ЭМ толқындарының кванттық туннельдеуі сәулелену жылдамдығына маңызды әсер етеді. Планктың жылулық сәулелену заңы соңғы онжылдықтарда наноөлшемді кеңістіктермен бөлінген денелер арасындағы сәулелі жылу алмасуының болжамдары және сәтті демонстрациялары арқылы сынға ұшырады, бұл заңның болжамдарынан айтарлықтай өзгешеді. Бұл ауытқу, әсіресе, сәуле шығарушы және сіңіруші денелердің суық және ыстық денелерді бөлетін кеңістік арқылы байланыса алатын беттік поляритон режимдерін қолдайтын жағдайда күшті болады (бірнеше есеге дейін). Дегенмен, жақын өрістегі радиациялық жылу алмасу арқылы беттік поляритонды пайдалану үшін екі денені микрометрлер немесе тіпті нанометрлер өлшемдеріндегі өте тар кеңістіктермен бөлу қажет. Бұл шектеу практикалық құрылғыларды жобалауды қиындатады. Денелердің жылулық эмиссия спектрін өзгертудің тағы бір жолы – эмитердің өлшемдерін кішіреутеді. Қажетті деңгейде фотон шектеуін қамтамасыз ету үшін сәулеленетін денелердің өлшемдері Планк заңымен болжанған жылу толқын ұзындығынан кем немесе оған тең болуы керек. Ең маңыздысы, жылулық ұңғымалардың, сымдардың және нүктелердің эмиссиялық спектрі Планк заңының болжамдарынан жақын өрісте ғана емес, алыс өрісте де өзгешеленеді, бұл олардың қолданылу саласын едәуір кеңейтеді.