مادون قرمز: قوانین گرمایش

قوانین اساسی گرمای مادون قرمز

همانطور که گرمایش IR تکامل یافته است ، علم بنیادی که عملکرد انتقال حرارت آن را نیز تحت تأثیر قرار داده است ، اما سه قانون اصلی اعمال می شود:

• قانون استفان-بولتزمن: قدرت کل تابش شده در دمای خاص از منبع IR را تأمین می کند.
• قانون پلانک: توزیع طیفی از تشعشع را از یک منبع بدن سیاه به دست می دهد - تابش اشعه 100٪ با درجه حرارت خاص.
• قانون وین: در ادامه قانون پلانك ، این طول موج را كه در آن توزیع طیفی تشعشع ساطع شده توسط جسم سیاه در حداكثر نقطه است پیش بینی می كند.

قانون استیفن-بولتزمن

قانون Steffan-Boltzmann در درجه اول مربوط به انتشار مادون قرمز است. محاسبه تابش قدرت از منبع IR بر اساس دمای سطح جسم و همراه با یک عامل بدنه سیاه. یک بدنه سیاه کامل ضریب 1 دارد - با مواد دیگر در این فاکتور متفاوت هستند (جدول زیر را ببینید). وقتی اجازه انتشار مواد طبیعی را می دهیم ، قانون استفان-بولتزمن تبدیل می شود:

در تعریف قانون تابش حرارتی Kirchhoff ، برای هر نوع بدن دلخواه که تابش حرارتی ساطع و جذب می کند ، میزان انتشار برابر است با جذب آن. این بدان معنی است که انتشار برای تعیین میزان جذب سطح و انتشار نیز مفید است.

جدول انتشار سطوح مختلف

آلومینیوم جلا 0.09	برنجی 0.03 جلا	برنز براق 0.10
کربن (دوده شمع) 0.95	سرامیک (چینی لعاب دار) 0.92	کروم جلا 0.10
بتن 0.85	جلا مس 0.02	مس اکسید شده 0.65
کوارتز ذوب شده شیشه ای 0.75	جلا 0.21 جلا	آهن زنگ زده 0.65
مات پلاستیک 0.95	جلا نقره ای 0.05	فولاد ضد زنگ جلا 0.16
فولاد ضد زنگ اکسیده 0.83	آب 0.96

استفاده از این قانون به این معنی است که ما اکنون می توانیم انتقال گرمای خالص بین دو سطح ساطع شده در T1 و T2 را محاسبه کنیم. همانطور که هر دو در حال انتشار هستند ، انتقال انرژی خالص تفاوت بین هر دو خروجی توان ساطع شده خواهد بود.

قانون پلانک

قانون پلانک تشعشع الکترومغناطیسی ساطع شده توسط جسم سیاه را در تعادل گرمایی در دمای مشخص توصیف می کند. این نام به نام ماکس پلانک ، فیزیکدان آلمانی است که آن را در سال 1900 پیشنهاد کرد.

قانون پلانک وقتی برای درجه حرارت های مختلف بخاری (امیتر) ترسیم می شود ، پیش بینی می کند:

1. دامنه فرکانس هایی که انرژی گرمایش مادون قرمز در آن جریان دارد
2. توان تابشی برای طول موج معین

لطفاً "یادداشتهای توضیح در مورد قانون پلانک" را در زیر مشاهده کنید.

قانون جابجایی وین

قانون وین دنباله ای از قانون پلانك است و طول موج را كه توزیع طیفی اشعه ساطع شده توسط یك سیاهی در حداكثر نقطه قرار دارد پیش بینی می كند.

بدن سیاه کاملی سطحی است که هیچ چیز را منعکس نمی کند و تابش حرارتی خالص را ساطع می کند. نمودار قدرت در مقابل طول موج برای یک بدن سیاه کامل ، طیف بدن سیاه نامیده می شود (نمودار زیر را ببینید). وقتی نقطه حداکثر هر منحنی دما را روی توزیع پلانک وصل می کنیم ، خط قرمز خال خال دار را شکل دهید و آنها را وصل کنید.

با افزایش دما ، تابش حرارتی طول موج کوتاهتر و نور انرژی بالاتری را تولید می کند. از نمودار زیر می توانیم ببینیم که چگونه یک لامپ نوری مقدار مشخصی از انرژی را با تنها بخش کوچکی در طیف مرئی تولید می کند. هرچه دما افزایش می یابد و طول موج اوج کوتاه تر می شود ، میزان انرژی تابش یافته نیز بیشتر می شود.

نمودار همچنین نشان می دهد که یک سنگ در دمای اتاق "نمی درخشد" زیرا منحنی برای 20 ° C به طیف قابل رویت گسترش نمی یابد. با گرم شدن اشیاء ، آنها شروع به دادن نور مرئی یا درخشش می کنند. در دمای 600 درجه سانتیگراد ، رنگ پررنگ و روشن می کند. در دمای 1,000 درجه سانتیگراد ، رنگ به رنگ زرد-نارنجی است و در دمای 1,500 درجه سانتی گراد به رنگ سفید تبدیل می شود.

دو قانون علمی دیگر کاربرد عملی گرمای تابشی مادون قرمز را اعلام می کنند - قانون مربع معکوس و قانون زيبايي لامبرت.

قانون مربع معکوس

قانون مربع معکوس رابطه انرژی تابشی بین منبع IR و جسم آن را تعریف می کند - این که شدت واحد سطح متناسب با مربع آن فاصله متفاوت است. با این حال ، در عمل ، قانون معکوس مربع هنگامی که به سطوح بزرگ موازی مانند صفحه های گرم شده و سیستم های اجاق مربوط می شود ، کارایی کمتری دارد.

قانون زيبايي لامبرت

قانون کسینوسی لمبرت امکان محاسبه شدت IR را هنگامی که تابش مستقیماً روی بدن هدف اعمال نمی شود اما در یک زاویه تنظیم می شود ، فراهم می کند. این قانون عمدتا در مورد منابع کوچک تابش شده از فاصله نسبتاً زیاد اعمال می شود.

فرستنده های مادون قرمز مورد استفاده در گرمایش صنعتی عموماً دارای طول موج انتشار حداکثر در محدوده 0.75 تا 10 میکرومتر هستند. در این محدوده ، سه بخش فرعی وجود دارد که موج بلند ، متوسط ​​و کوتاه دارند.

فرستنده های Longwave ، همچنین به عنوان مادون قرمز دور (FIR) نیز شناخته می شوند ، در محدوده میکرون متر 3-10 ، دارای انتشار اوج انتشار هستند. این محدوده به طور کلی به عناصر سرامیکی اشاره دارد که از یک سیم پیچ آلیاژ با درجه حرارت بالا تعبیه شده در یک بدنه سرامیکی کاملاً نشر یا توخالی ساخته شده است. انتشار دهنده های سرامیکی در تعدادی از اندازه های استاندارد صنعتی با سطح های مسطح یا خمیده (به سبک از طریق) تولید می شوند.

طول موج های انتشار اوج کوتاهتر با استفاده از منابع انتشار با دمای سطح بالاتر حاصل می شود. ناوشکن های سبک کوارتز در اندازه های استاندارد صنعتی مشابه با سرامیک موجود هستند و از یک سری لوله های کوارتز شفاف ساخته شده در یک محفظه فولادی آلیاژ شده جلا ساخته شده است. این فرستنده ها می توانند با دمای سطح جلوی بالاتر کار کنند و در محدوده موج بلند تا متوسط ​​ساطع می شوند.

در انتهای کوتاهتر از محدوده موج متوسط ​​، امواج تابستانی تنگستن کوارتز قرار دارد که از یک لوله کوارتز روشن خطی مهر و موم شده حاوی یک سیم پیچ تنگستن طراحی ستاره تشکیل شده است. سیم پیچ تنگستن زمان پاسخ سریع با عدم تحرک حرارتی کم را فراهم می کند.

محدوده هالوژن کوارتز موج کوتاه از ساخت و ساز مشابهی با امپراتور تنگستن موج متوسط ​​سریع برخوردار است به استثنای اینکه یک سیم پیچ گرد تنگستن گرد استفاده شده و لوله های کوارتز با گاز هالوژن پر می شوند. دمای سیم پیچ بالاتر باعث تولید نور سفید و طول موج انتشار اوج در دامنه موج کوتاه می شود.

یادداشتهای توضیحی در مورد قانون پلانك

قانون پلانک به ما می گوید که با افزایش دمای هر سطح ساطع ، انرژی بیشتر و بیشتری به عنوان انرژی مادون قرمز آزاد می شود. هرچه درجه حرارت جسم بالاتر باشد ، میزان انرژی مادون قرمز بیشتر تولید می شود. فرکانسهای ساطع شده و همچنین با شدت بیشتری (فرکانس) ، گسترده تر می شوند و طول موج اوج کوتاه تر می شود.

در دماهای بسیار بالا ، نه تنها مادون قرمز ، مقداری نور مرئی با طول موج کوتاه نیز تولید می شود. این در ابتدا به عنوان یک درخشش سرخ رنگ و سپس به رنگ نارنجی ، زرد و سرانجام سفید مشاهده می شود. شکل 1 (زیر) منحنی های قانون Planck معمولی را برای طیف وسیعی از دمای ترسیم شده از 1050 ° C تا 50 ° C نشان می دهد.

منحنی صورتی مربوط به 1050 ° C قویترین خروجی را نشان می دهد. بالاترین میزان توان را نشان می دهد و اوج آن در حدود میکرون های 2.5 است. این توسط منحنی در 850 ° C دنبال می شود که در آن انرژی اوج کمتر از نیمی از آن است که در دمای 1150 درجه سانتی گراد تولید می شود.

با کاهش دما ، سطح انرژی نیز کاهش می یابد ، و طول موج اوج انرژی به طول موج های طولانی تر تغییر می کند. کمترین دما از منحنی های 250 درجه سانتیگراد ، 100 درجه سانتیگراد و 50 درجه سانتیگراد در نمودار مشاهده نمی شود ، اما وقتی نمودار برای دیدن منحنی های دمای پایین تر بزرگ می شود ، این تغییر به طول موج های طولانی تر مشهود است. با این حال ، شدت قدرت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

این در شکل 2 (زیر) نشان داده شده است. در دمای 250 درجه سانتیگراد ، منحنی آبی به نظر می رسد که میکرون 6 تقریباً اوج داشته باشد ، در حالی که در 100 ° C حداکثر طول موج طول میکرون ~ 7.5 است. توجه داشته باشید که میزان طول موج به طور مساوی توزیع شده است و قله باریک غلیظ و غلیظ را که در دماهای بالاتر مشاهده می شود ، نشان نمی دهد.

اگر دوباره همان نمودار را بزرگ کنیم و فقط روی دمای پایین تر تمرکز کنیم ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است (در زیر) ، می بینیم که دمای 50 ° C و 25 ° C به ترتیب دارای طول موج های اوج میکرون های ~ 9 و 10 هستند.

استفاده از این اطلاعات

ما به عنوان کارشناسان حوزه ما امیدواریم که این صفحات اطلاعات به شما در درک بهتر مادون قرمز کمک کند. مهمترین چیز این است که بدانید مواد شما چیست و برای انجام چه کارهایی به مواد خود احتیاج دارید. ما می توانیم در مورد بقیه به شما مشاوره دهیم!