อินฟราเรด: กฎของความร้อน

กฎหมายพื้นฐานของเครื่องทำความร้อนอินฟราเรด

ในฐานะที่เป็นความร้อน IR มีการพัฒนาดังนั้นมีวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่เป็นรากฐานการทำงานของการถ่ายเทความร้อนของมัน แต่กฎหมายหลักที่สามใช้:

• กฎหมายของ Stefan-Boltzmann: ให้พลังงานทั้งหมดที่แผ่ออกมาที่อุณหภูมิเฉพาะจากแหล่ง IR
• กฎของพลังค์: ให้การกระจายสเปกตรัมของรังสีจากแหล่งกำเนิดของวัตถุสีดำ - หนึ่งที่ปล่อยรังสี 100% ที่อุณหภูมิเฉพาะ
• กฎของ Wien: ตามกฎของพลังค์สิ่งนี้ทำนายความยาวคลื่นที่การกระจายสเปกตรัมของการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุสีดำอยู่ที่จุดสูงสุด

กฎหมาย Steffan-Boltzmann

กฎหมาย Steffan-Boltzmann เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีอินฟราเรดเป็นหลัก การคำนวณการแผ่รังสีกำลังจากแหล่ง IR โดยพิจารณาจากอุณหภูมิพื้นที่ผิวของวัตถุและร่วมกับปัจจัยร่างกายสีดำ ตัวเครื่องสีดำที่สมบูรณ์แบบมีปัจจัย 1 - ด้วยวัสดุอื่น ๆ ที่แตกต่างกันไปตามปัจจัยนั้น (ดูตารางด้านล่าง) เมื่อเราอนุญาตให้มีการแผ่รังสีของวัสดุปกติกฎหมาย Stefan-Boltzmann กลายเป็น:

ภายใต้คำจำกัดความของกฎของรังสีความร้อนของ Kirchhoff สำหรับการปล่อยและดูดซับรังสีความร้อนโดยพลการใด ๆ การแผ่รังสีนั้นเท่ากับการดูดซับ ซึ่งหมายความว่าการแผ่รังสีมีประโยชน์ในการพิจารณาว่าพื้นผิวจะดูดซับและปลดปล่อย

ตารางการแผ่รังสีของพื้นผิวต่างๆ

อลูมิเนียมขัดเงา 0.09	ทองเหลืองขัดเงา 0.03	0.10 ขัดเงาบรอนซ์
คาร์บอน (เขม่าเทียน) 0.95	เซรามิก (พอร์ซเลนเคลือบ) 0.92	โครเมียมขัดเงา 0.10
คอนกรีต 0.85	ทองแดงขัด 0.02	ทองแดงออกซิไดซ์ 0.65
แก้วหลอมควอตซ์ 0.75	เหล็กขัดเงา 0.21	เหล็กขึ้นสนิม 0.65
พลาสติกทึบแสง 0.95	0.05 สีเงินขัดเงา	สแตนเลสสตีลขัดเงา 0.16
0.83 สเตนเลสสตีล	น้ำ 0.96

การใช้กฎหมายนี้หมายความว่าเราสามารถคำนวณการถ่ายเทความร้อนสุทธิระหว่างพื้นผิวเปล่งสองจุดที่ T1 และ T2 ขณะที่ทั้งสองกำลังเปล่งการถ่ายโอนพลังงานสุทธิจะเป็นความแตกต่างระหว่างการส่งออกพลังงานที่ปล่อยออกมา

กฎของพลังค์

กฎของพลังค์อธิบายถึงการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากร่างกายสีดำในสภาวะสมดุลทางความร้อนที่อุณหภูมิที่แน่นอน ได้รับการตั้งชื่อตาม Max Planck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้เสนอในปี 1900

เมื่อมีการวางแผนสำหรับอุณหภูมิตัวทำความร้อน (ตัวปล่อยความร้อน) กฎของพลังค์คาดการณ์:

1. ช่วงความถี่ที่พลังงานความร้อนอินฟราเรดถูกสร้างขึ้น
2. พลังงาน emissive สำหรับความยาวคลื่นที่กำหนด

โปรดดู 'ข้อความอธิบายเกี่ยวกับกฎของพลังค์' ด้านล่าง

กฎหมายการกำจัดของ Wien

กฎของ Wien นั้นเป็นไปตามกฎของพลังค์และคาดการณ์ความยาวคลื่นที่การกระจายสเปกตรัมของการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุสีดำอยู่ที่จุดสูงสุด

ร่างสีดำที่สมบูรณ์แบบเป็นพื้นผิวที่ไม่สะท้อนสิ่งใดและปล่อยรังสีความร้อนบริสุทธิ์ กราฟพลังงานและความยาวคลื่นสำหรับวัตถุสีดำที่สมบูรณ์แบบเรียกว่าสเปกตรัมสีดำ (ดูแผนภาพด้านล่าง) สังเกตุเห็นว่าเส้นสีแดงประเกิดขึ้นเมื่อเราเชื่อมต่อจุดสูงสุดของเส้นโค้งอุณหภูมิแต่ละอันบนการกระจายของพลังค์และเชื่อมต่อพวกมัน

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นรังสีความร้อนจะสร้างความยาวคลื่นที่สั้นลงและมีพลังงานแสงมากขึ้น จากกราฟด้านล่างเราจะเห็นได้ว่าหลอดไฟผลิตพลังงานปริมาณหนึ่งโดยมีเพียงส่วนเล็ก ๆ ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นและความยาวคลื่นสูงสุดก็สั้นลงปริมาณของพลังงานรังสีก็จะยิ่งมากขึ้น

กราฟยังแสดงให้เห็นว่าหินที่อุณหภูมิห้องจะไม่ 'ส่องแสง' เนื่องจากเส้นโค้งของ 20 ° C ไม่ขยายไปสู่สเปกตรัมที่มองเห็นได้ เมื่อวัตถุร้อนขึ้นพวกเขาก็จะปล่อยแสงที่มองเห็นได้หรือแสง ที่วัตถุ 600 ° C จะเรืองแสงสีแดงทึบ ที่ 1,000 ° C สีเป็นสีเหลืองส้มเปลี่ยนเป็นสีขาวที่ 1,500 ° C

กฎหมายทางวิทยาศาสตร์อีกสองฉบับแจ้งให้ทราบถึงการใช้ความร้อนจากรังสีอินฟราเรด - กฏหมายผกผัน และ กฎหมายโคไซน์ของ Lambert.

กฏหมายผกผัน

กฎกำลังสองผกผันกำหนดความสัมพันธ์ของพลังงานที่เปล่งประกายระหว่างแหล่งที่มาของ IR และวัตถุโดยที่ความเข้มต่อหน่วยพื้นที่จะแปรผกผันตามสัดส่วนของระยะทาง อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติ Inverse Square Law มีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อเกี่ยวข้องกับพื้นผิวขนานขนาดใหญ่เช่นแผ่นทำความร้อนและระบบเตาอบ

กฎหมายโคไซน์ของ Lambert

กฎโคไซน์ของแลมเบิร์ตช่วยให้สามารถคำนวณความเข้มของ IR ได้เมื่อรังสีไม่ได้ถูกนำไปใช้กับร่างกายเป้าหมายโดยตรง แต่ตั้งอยู่ที่มุม กฎหมายนี้บังคับใช้เป็นหลักกับแหล่งกำเนิดขนาดเล็กที่แผ่กระจายในระยะทางที่ค่อนข้างใหญ่

ตัวปล่อยอินฟราเรดที่ใช้ในการทำความร้อนทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะมีความยาวคลื่นการปล่อยสูงสุดที่ใช้ได้ในช่วงของ 0.75 ถึง 10 μm ภายในช่วงนี้มีสามส่วนย่อยซึ่งเป็นคลื่นยาวกลางและสั้น

Longwave emitters หรือที่รู้จักกันในชื่อ Far-infrared (FIR) นั้นมีช่วงการปล่อยรังสีสูงสุดในช่วง 3-10 μm ช่วงนี้โดยทั่วไปหมายถึงองค์ประกอบเซรามิกซึ่งประกอบด้วยขดลวดโลหะผสมความต้านทานอุณหภูมิสูงที่ฝังอยู่ในทั้งร่างกายที่เป็นของแข็งหรือกลวงสร้างเซรามิกเปล่งรังสีสูง ตัวปล่อยเซรามิกผลิตขึ้นในขนาดมาตรฐานอุตสาหกรรมที่มีพื้นผิวเปล่งแสงแบบแบนหรือโค้ง (แบบรางน้ำ)

ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาสั้นที่สุดนั้นทำได้โดยการใช้แหล่งกำเนิดที่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงขึ้น ตัวปล่อยแบบคาสเซ็ตต์แบบควอตซ์มีขนาดมาตรฐานใกล้เคียงกับเซรามิกและประกอบด้วยชุดของหลอดควอตซ์โปร่งแสงที่สร้างขึ้นในตัวเรือนเหล็กอะลูมิเนียมขัดมัน ตัวปล่อยเหล่านี้สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิพื้นผิวด้านหน้าที่สูงขึ้นและปล่อยออกมาในช่วงคลื่นที่ยาวถึงปานกลาง

ที่ปลายสั้นของช่วงคลื่นกลางคือตัวปล่อยทังสเตนควอทซ์ซึ่งประกอบด้วยหลอดควอตซ์ใสเชิงเส้นปิดผนึกที่มีขดลวดทังสเตนออกแบบดาว ขดลวดทังสเตนให้เวลาตอบสนองที่รวดเร็วด้วยความเฉื่อยความร้อนต่ำ

ช่วงสั้นของฮาโลเจนควอตซ์คลื่นสั้นมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกับตัวปล่อยทังสเตนที่มีความเร็วปานกลางโดยมีข้อยกเว้นว่าใช้ขดลวดทังสเตนกลมและหลอดควอทซ์จะถูกเติมด้วยก๊าซฮาโลเจน อุณหภูมิของคอยล์ที่สูงขึ้นส่งผลให้เกิดแสงสีขาวและความยาวคลื่นสูงสุดในช่วงคลื่นสั้น

ข้อความอธิบายเกี่ยวกับกฎของพลังค์

กฎของพลังค์บอกเราว่าเมื่ออุณหภูมิของพื้นผิวเปล่งแสงเพิ่มขึ้นพลังงานจะถูกปล่อยออกมามากขึ้นเป็นพลังงานอินฟราเรด ยิ่งวัตถุมีอุณหภูมิสูงเท่าไรปริมาณรังสีอินฟราเรดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น เช่นเดียวกับความรุนแรงมากขึ้น (พลังงาน) ความถี่ที่ปล่อยออกมาจะกว้างขึ้นและความยาวคลื่นสูงสุดจะสั้นลง

ที่อุณหภูมิสูงมากไม่ใช่แค่อินฟราเรดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจะถูกสร้างขึ้น นี่เป็นครั้งแรกที่เห็นว่าเป็นประกายสีแดงทึบจากนั้นก็เป็นสีส้มสีเหลืองและสีขาวในที่สุด รูปที่ 1 (ด้านล่าง) แสดงเส้นโค้งของกฎทั่วไปของพลังค์สำหรับช่วงอุณหภูมิที่วางแผนจาก 1050 ° C ถึง 50 ° C

เส้นโค้งสีชมพูที่สอดคล้องกับ 1050 ° C แสดงผลลัพธ์ที่แข็งแกร่งที่สุด มันแสดงกำลังขับสูงสุดและจุดสูงสุดอยู่ที่ 2.5 ไมครอน ตามด้วยเส้นโค้งที่ 850 ° C ซึ่งพลังงานสูงสุดน้อยกว่าครึ่งของพลังงานที่ผลิตที่ 1150 ° C

เมื่ออุณหภูมิลดลงระดับพลังงานก็ลดลงและความยาวคลื่นของพลังงานสูงสุดจะเปลี่ยนไปเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น อุณหภูมิต่ำสุดจากกราฟ 250 ° C, 100 ° C และ 50 ° C ไม่สามารถมองเห็นได้ในกราฟ แต่เมื่อกราฟถูกขยายเพื่อดูกราฟอุณหภูมิที่ต่ำกว่าการเลื่อนไปที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่านั้นชัดเจนยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตามความเข้มของพลังงานลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ดังแสดงในรูปที่ 2 (ด้านล่าง) ที่ 250 ° C เส้นโค้งสีน้ำเงินสามารถมองเห็นได้ว่ามีค่าสูงสุดประมาณ ~ 6 ไมครอนในขณะที่ 100 ° C ความยาวคลื่นสูงสุดคือ ~ 7.5 ไมครอน โปรดทราบว่าขอบเขตของความยาวคลื่นจะกระจายอย่างเท่าเทียมกันมากขึ้นและไม่แสดงจุดสูงสุดที่มีความเข้มข้นแคบซึ่งมองเห็นได้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น

หากเราขยายกราฟเดียวกันอีกครั้งและโฟกัสเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำกว่าดังแสดงในรูปที่ 3 (ด้านล่าง) เราจะเห็นอุณหภูมิของ 50 ° C และ 25 ° C มีความยาวคลื่นสูงสุดของไมครอน ~ 9 และ 10 ตามลำดับ

การใช้ข้อมูลนี้

ในฐานะผู้เชี่ยวชาญในสาขาของเราเราหวังว่าหน้าข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้คุณเข้าใจอินฟราเรดได้ดีขึ้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือต้องรู้ว่าเนื้อหาของคุณคืออะไรและคุณต้องใช้วัสดุเพื่อทำอะไร เราสามารถให้คำแนะนำคุณในส่วนที่เหลือได้!