ΔΙΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

ΔΙΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

ΔΙΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Έχετε αναρωτηθεί πώς διαδίδεται η θερμότητα από το αναμμένο τζάκι σε σώματα που βρίσκονται απέναντι του;

 Σίγουρα δε διαδίδεται με αγωγή,διότι ο αέρας του δωματίου είναι μονωτής.Ούτε όμως με ρεύματα μεταφοράς,διότι το ζεστό ρεύμα αέρα δημιουργείται πάνω και όχι απέναντι από τα θερμαντικά σώματα.Λέμε ότι στην περίπτωση αυτή η θερμότητα διαδίδεται με ακτινοβολία.Με αυτό τον τρόπο,θερμότητα διαδίδεται από τον ήλιο στη γη μέσω του κενού διαστήματος.Επομένως,η διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία μπορεί να πραγματοποιείται ακόμα και όταν δε μεσολαβεί ύλη μεταξύ των σωμάτων.

Το μεγαλύτερο ποσό θερμότητας από το τζάκι διαδίδεται με ρεύματα μέσα από την καμινάδα προς το περιβάλλον. Η θερμότητα που μας ζεσταίνει διαδίδεται με ακτινοβολία

 Όλα τα σώματα ακτινοβολούν:Ο ήλιος,η φλόγα και ο λαμπτήρας εκπέμπουν διαρκώς ακτινοβολία,ένα μέρος της οποίας όταν φθάσει στο μάτι μας προκαλεί το αίσθημα της όρασης,δηλαδή είναι ορατό και ένα άλλο μέρος δεν προκαλεί το αίσθημα της όρασης,δηλαδή είναι αόρατο.Αλλά και η σόμπα,η πλάκα του αναμμένου σίδερου σιδερώματος,το σώμα του καλοριφέρ,ακόμα και το ανθρώπινο σώμα ακτινοβολούν.Από τα σώματα αυτά η διάδοση της θερμότητας γίνεται με ακτινοβολία,η οποία όμως δεν είναι ορατή.Γενικά,μια ακτινοβολία μπορεί να είναι ορατή ή αόρατη.

 Κάθε μορφή ενέργειας που διαδίδεται με ακτινοβολία,ονομάζεται ενέργεια ακτινοβολίας.Σώματα που φωτοβολούν εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας που περιλαμβάνει τόσο φωτεινή ενέργεια όσο και θερμότητα.

ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

 Όλα τα σώματα εκπέμπουν διαρκώς προς το περιβάλλον τους θερμότητα με τη μορφή ακτινοβολίας.
 Συγχρόνως απορροφούν διαρκώς θερμότητα με τη μορφή ακτινοβολίας από το περιβάλλον τους.Όταν η θερμοκρασία του σώματος είναι ίση με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος,τότε η ενέργεια (θερμότητα) που ακτινοβολεί προς το περιβάλλον του κάθε δευτερόλεπτο, είναι ίση με την ενέργεια που απορροφά με ακτινοβολία από αυτό στον ίδιο χρόνο.Έτσι,η θερμική ενέργεια του σώματος,άρα και η θερμοκρασία του,διατηρείται σταθερή.

Η ήλιος έχει υψηλή θερμοκρασία.Εκπέμπει ενέργεια με ακτινοβολία.Ένα μέρος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον ήλιο είναι ορατή και ένα μέρος αόρατη.Η πυρωμένη πλάκα του σίδερου έχει χαμηλότερη θερμοκρασία από τον ήλιο.Εκπέμπει μόνο αόρατη ακτινοβολία

 Όταν η θερμοκρασία του σώματος είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τότε ακτινοβολεί περισσότερη ενέργεια από όση απορροφά.Επομένως,η θερμική του ενέργεια,άρα και η θερμοκρασία του,ελαττώνεται.Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρις ότου η θερμοκρασία του σώματος εξισωθεί με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος.

 Ένας λαμπτήρας πυράκτωσης που φωτοβολεί,έχει σταθερή θερμοκρασία,μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του αέρα που τον περιβάλλει.Πώς συμβαίνει αυτό;

Στο εσωτερικό του ήλιου πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική που μεταφέρεται στην επιφάνεια.Στην επιφάνεια,η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε ενέργεια ακτινοβολίας και εκπέμπεται προς το διάστημα.Ένα μέρος της φθάνει στη γη με αποτέλεσμα να τη φωτίζει και να τη θερμαίνει.Με τον ίδιο τρόπο εκπέμπεται ενέργεια ακτινοβολίας από όλα τα αστέρια του ουρανού

 Για να διατηρείται η θερμοκρασία του λαμπτήρα σταθερή, στην περίπτωση αυτή,θα πρέπει κάποια άλλη μορφή ενέργειας να μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια του λαμπτήρα.Η θερμική του ενέργεια διατηρείται σταθερή λόγω της συνεχούς μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική.Παρόμοια,ο πολύ θερμός ήλιος ακτινοβολεί διαρκώς ενέργεια προς το ψυχρό διάστημα και η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή.Αυτό συμβαίνει,διότι στο εσωτερικό του πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική.

ΕΙΔΟΣ ΚΑΙ ΙΣΧΥΣ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗΣ/ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

  Γιατί φοράμε ανοιχτόχρωμα ρούχα το καλοκαίρι και σκούρα το χειμώνα;
 Όλα τα σώματα, ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία τους,εκπέμπουν και απορροφούν ακτινοβολία.Υπάρχουν όμως διαφορές στο είδος και στην ισχύ της ακτινοβολούμενης ενέργειας.Σε θερμοκρασίες του γήινου περιβάλλοντος,τα σώματα εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας που περιλαμβάνει κυρίως θερμότητα.Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από περίπου 500 °C η ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα σώματα συμπεριλαμβάνει και φωτεινή ενέργεια.

 Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η ποσότητα της ενέργειας που ακτινοβολεί ένα σώμα κάθε δευτερόλεπτο;

Τα δυο σώματα είναι πανομοιότυπα.Στο ίδιο χρονικό διάστημα το θερμότερο ακτινοβολεί μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας

 Μπορούμε να διαπιστώσουμε πειραματικά ότι το ποσό της ενέργειας που ένα σώμα ακτινοβολεί ανά δευτερόλεπτο,δηλαδή η ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας,εξαρτάται από:

α) Τη θερμοκρασία του σώματος.
 Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας.

β) Το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος.
 Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνειά του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας.

γ) Την υφή της επιφάνειας.
 Οι τραχιές επιφάνειες εκπέμπουν θερμότητα με ακτινοβολία εντονότερα από τις λείες.

δ) Το χρώμα της επιφάνειας του σώματος.
 Οι σκουρόχρωμες επιφάνειες εκπέμπουν θερμότητα με ακτινοβολία εντονότερα από τις ανοιχτόχρωμες.

Στο ίδιο χρονικό διάστημα το τραχύ και σκουρόχρωμο σώμα ακτινοβολεί μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας από το ανοικτό και λείο

 Από τους ίδιους παράγοντες και ακριβώς με τον ίδιο τρόπο εξαρτάται και η ισχύς της ενέργειας που απορροφάται από ένα σώμα.Γι' αυτό τις καλοκαιρινές ημέρες φοράμε συνήθως ανοιχτόχρωμα ρούχα,τα οποία απορροφούν μικρότερη ποσότητα θερμότητας που διαδίδεται από τον ήλιο.

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ

 Σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις της φυσικής,η ενέργεια ακτινοβολίας μεταφέρεται από ιδιόμορφα σωμάτια τα οποία ονομάζονται φωτόνια.Κάθε φωτόνιο μεταφέρει ορισμένη ποσότητα ενέργειας.Η ενέργεια των φωτονίων μιας ακτινοβολίας καθορίζει και το είδος της.Για παράδειγμα,κάθε φωτόνιο της φωτεινής ενέργειας έχει μεγαλύτερη ενέργεια από κάθε φωτόνιο της ενέργειας ακτινοβολίας με την οποία διαδίδεται η θερμότητα.

Ειδική φωτογράφηση με υπέρυθρο φιλμ.Οι κόκκινες περιοχές αντιστοιχούν σε σημεία του σώματος που έχουν υψηλότερη θερμοκρασία και συνεπώς ακτινοβολούν πιο έντονα.Φωτογραφίες σαν αυτή χρησιμοποιούνται για να ανιχνευθούν πιθανές ανωμαλίες στην κυκλοφορία του αίματος ή όγκοι στους πνεύμονες και τον εγκέφαλο

 Τα σώματα εκπέμπουν διάφορα είδη ακτινοβολίας,δηλαδή εκπέμπουν μείγμα φωτονίων διαφορετικής ενέργειας.Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος,τόσο μεγαλύτερη και η ενέργεια των φωτονίων που εκπέμπει.Τα φωτόνια τα οποία,όταν απορροφώνται από το δέρμα μας,προκαλούν το αίσθημα της ζέστης,λέμε ότι ανήκουν στην υπέρυθρη ακτινοβολία.Η θερμότητα διαδίδεται κυρίως με την υπέρυθρη ακτινοβολία.Είναι δυνατόν,όμως,η θερμοκρασία ορισμένων σωμάτων (όπως των φαγητών στο φούρνο μικροκυμάτων) να αυξηθεί και με απορρόφηση φωτονίων μικρότερης ενέργειας.

Ο ΦΟΥΡΝΟΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΩΝ

 Μετά το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο οι κατασκευαστές των ραντάρ,που είχαν χρησιμοποιηθεί στη διάρκεια του,διέθεταν πολλές συσκευές παραγωγής μικροκυμάτων.Αναζήτησαν λοιπόν μια ειρηνική εφαρμογή τους και τη βρήκαν στο φούρνο μικροκυμάτων.Τα μικροκύματα είναι ακτινοβολία που αποτελείται από φωτόνια μικρότερης ενέργειας από εκείνης των φωτονίων της υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Η ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια του υλικού και επομένως αυξάνεται η θερμοκρασία του

 Τα φωτόνια των μικροκυμάτων απορροφώνται από τα μόρια ορισμένων ουσιών,όπως το νερό,και προκαλούν αύξηση της κινητικής τους ενέργειας.Τα μόρια του νερού συγκρούονται με τα γειτονικά τους μόρια και μέσω των συγκρούσεων μεταφέρεται ένα μέρος της κινητικής τους ενέργειας σ’ αυτά.Με αυτή τη διαδικασία,η ενέργεια της ακτινοβολίας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια του υλικού και επομένως αυξάνεται η θερμοκρασία του.Με αυτό τον τρόπο λειτουργεί ο φούρνος μικροκυμάτων.Με αντίστοιχο τρόπο λειτουργούν και οι συσκευές διαθερμίας που χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία για τη θέρμανση των μυών και των αρθρώσεων προκειμένου να ανακουφιστούν οι ασθενείς από τον πόνο.

ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΚΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ

 Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του,ο ήλιος εκπέμπει και φωτόνια μεγάλης ενέργειας που διαπερνούν το γυάλινο περίβλημα ενός θερμοκηπίου.Αντίθετα,το έδαφος λόγω της πολύ χαμηλής θερμοκρασίας του σε σχέση με τον ήλιο εκπέμπει φωτόνια πολύ μικρότερης ενέργειας,τα οποία δε διαπερνούν το γυαλί.Αυτά τα φωτόνια απορροφώνται από τον αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου,με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του αέρα να αυξάνεται.

Τα φωτόνια απορροφώνται από τον αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του αέρα να αυξάνεται

 Παρόμοιο «φαινόμενο θερμοκηπίου» συμβαίνει και στον πλανήτη μας.Αέρια της ατμόσφαιρας(αέρια θερμοκηπίου) λειτουργούν όπως το γυάλινο περίβλημα του θερμοκηπίου,δηλαδή δεν επιτρέπουν στο μεγαλύτερο μέρος των φωτονίων που εκπέμπεται από τη γη ως υπέρυθρη ακτινοβολία,να διαφύγουν στο διάστημα.Με αυτό τον τρόπο η υπέρυθρη ακτινοβολία που δε διαφεύγει στο διάστημα θερμαίνει τη γη.Τελικά υπάρχει ένα θερμικό ισοζύγιο μεταξύ της εισερχόμενης ηλιακής και της εξερχόμενης γήινης ακτινοβολίας,οπότε η μέση θερμοκρασία της γης διατηρείται σταθερή.

Αέρια της ατμόσφαιρας(αέρια θερμοκηπίου) λειτουργούν όπως το γυάλινο περίβλημα του θερμοκηπίου,δηλαδή δεν επιτρέπουν στο μεγαλύτερο μέρος των φωτονίων που εκπέμπεται από τη γη ως υπέρυθρη ακτινοβολία,να διαφύγουν στο διάστημα

 Χωρίς το φαινόμενο του θερμοκηπίου,η γη θα ήταν ένα παγωμένο σώμα με θερμοκρασία περίπου -18 °C.Τα τελευταία 500.000 χρόνια η μέση θερμοκρασία της γης κυμαίνεται μεταξύ 19 °C και 27 °C.