RADIAZIONE TERMICA: PROPRIETÀ, ESEMPI, APPLICAZIONI - FISICO - 2025

La radiazione termica è l'energia trasmessa da un corpo con la sua temperatura e dalle lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico dell'infrarosso. Tutti i corpi, senza eccezioni, emettono radiazioni infrarosse, indipendentemente dalla loro temperatura.

Succede che quando sono in movimento accelerato, le particelle caricate elettricamente oscillano e grazie alla loro energia cinetica emettono continuamente onde elettromagnetiche.

Figura 1. Conosciamo molto bene la radiazione termica che proviene dal Sole, che è infatti la principale fonte di energia termica. Fonte: Pxhere.

L'unico modo in cui un corpo non emette radiazioni termiche è che le sue particelle siano completamente a riposo. In questo modo, la sua temperatura sarebbe 0 sulla scala Kelvin, ma ridurre la temperatura di un oggetto a un tale punto è qualcosa che non è stato ancora raggiunto.

Proprietà della radiazione termica

Una proprietà notevole che distingue questo meccanismo di trasferimento del calore dagli altri è che non necessita di un mezzo materiale per produrlo. Così, l'energia emessa dal Sole, ad esempio, viaggia per 150 milioni di chilometri nello spazio e raggiunge la Terra continuamente.

Esiste un modello matematico per conoscere la quantità di energia termica per unità di tempo irradiata da un oggetto:

Questa equazione è nota come legge di Stefan e compaiono le seguenti quantità:

- Energia termica per unità di tempo P, nota come potenza e la cui unità nel Sistema internazionale di unità è il watt o watt (W).

-La superficie dell'oggetto che emette calore A, in metri quadrati.

-Una costante, chiamata Stefan - costante di Boltzman , indicata con σ e il cui valore è 5.66963 x10 ^-8 W / m ² K ⁴ ,

-La emissività (chiamato anche emittanza) dell'oggetto e, una quantità adimensionale (adimensionale) il cui valore è compreso tra 0 e 1. Si è legata alla natura del materiale: tale specchio ha una bassa emissività, mentre un corpo molto scuro trovi alta emissività.

-E infine la temperatura T in kelvin.

Esempi di radiazione termica

Secondo la legge di Stefan, la velocità con cui un oggetto irradia energia è proporzionale all'area, all'emissività e alla quarta potenza della temperatura.

Poiché la velocità di emissione dell'energia termica dipende dalla quarta potenza di T, è chiaro che piccoli cambiamenti di temperatura avranno un enorme effetto sulla radiazione emessa. Ad esempio, se la temperatura raddoppia, la radiazione aumenterebbe di 16 volte.

Un caso speciale della legge di Stefan è il radiatore perfetto, un oggetto completamente opaco chiamato corpo nero, la cui emissività è esattamente 1. In questo caso, la legge di Stefan ha questo aspetto:

Succede che la legge di Stefan sia un modello matematico che descrive approssimativamente la radiazione emessa da un qualsiasi oggetto, poiché considera l'emissività come una costante. L'emissività dipende in realtà dalla lunghezza d'onda della radiazione emessa, dalla finitura superficiale e da altri fattori.

Quando e è considerato costante e la legge di Stefan viene applicata come indicato all'inizio, l'oggetto viene chiamato corpo grigio.

I valori di emissività per alcune sostanze trattate come corpo grigio sono:

-Alluminio lucidato 0,05

-Nero carbonio 0,95

-Pelle umana di qualsiasi colore 0,97

-Legno 0.91

-Ice 0.92

-Acqua 0.91

-Rame tra 0,015 e 0,025

-Acciaio tra 0,06 e 0,25

Radiazione termica del sole

Un esempio tangibile di un oggetto che emette radiazione termica è il Sole. Si stima che ogni secondo circa 1.370 J di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica raggiunga la Terra dal Sole.

Questo valore è noto come costante solare e ogni pianeta ne ha uno, che dipende dalla sua distanza media dal Sole.

Questa radiazione attraversa perpendicolarmente ogni m ² degli strati atmosferici e si distribuisce in diverse lunghezze d'onda.

Quasi tutto si presenta sotto forma di luce visibile, ma una buona parte si presenta come radiazione infrarossa, che è precisamente ciò che percepiamo come calore, e alcuni anche come raggi ultravioletti. È una grande quantità di energia sufficiente per soddisfare le esigenze del pianeta, al fine di catturarla e utilizzarla correttamente.

In termini di lunghezza d'onda, questi sono gli intervalli entro i quali si trova la radiazione solare che raggiunge la Terra:

- Infrarossi , ciò che percepiamo come calore: 100 - 0,7 μm *

- Luce visibile , tra 0,7 - 0,4 μm

- Ultravioletto , inferiore a 0,4 μm

* 1 μm = 1 micrometro o un milionesimo di metro.

Legge di Wien

L'immagine sotto mostra la distribuzione della radiazione sulla lunghezza d'onda per varie temperature. La distribuzione obbedisce alla legge di spostamento di Wien, secondo la quale la lunghezza d'onda della massima radiazione λ _max è inversamente proporzionale alla temperatura T in kelvin:

λ _max T = 2.898. 10 ⁻³ m⋅K

Figura 2. Grafico della radiazione in funzione della lunghezza d'onda per un corpo nero. Fonte: Wikimedia Commons.

Il Sole ha una temperatura superficiale di circa 5.700 K e irradia principalmente a lunghezze d'onda più brevi, come abbiamo visto. La curva che più si avvicina a quella del Sole è quella dei 5000 K, in blu e ovviamente ha il massimo nel range della luce visibile. Ma emette anche una buona parte di infrarossi e ultravioletti.

Applicazioni della radiazione termica

Energia solare

La grande quantità di energia che il Sole irradia può essere immagazzinata in dispositivi chiamati collettori, per trasformarla successivamente e utilizzarla convenientemente come energia elettrica.

Telecamere a infrarossi

Sono telecamere che, come suggerisce il nome, operano nella regione degli infrarossi invece che nella luce visibile, come le comuni telecamere. Sfruttano il fatto che tutti i corpi emettono radiazioni termiche in misura maggiore o minore a seconda della loro temperatura.

Figura 3. Immagine di un cane catturata da una telecamera a infrarossi. In origine le zone più chiare rappresentano quelle con la temperatura più alta. I colori, che vengono aggiunti durante la lavorazione per facilitare l'interpretazione, mostrano le diverse temperature nel corpo dell'animale. Fonte: Wikimedia Commons.

Pirometria

Se le temperature sono molto elevate, misurarle con un termometro a mercurio non è l'opzione migliore. Per questo si prediligono i pirometri, attraverso i quali si deduce la temperatura di un oggetto conoscendone l'emissività, grazie all'emissione di un segnale elettromagnetico.

Astronomia

Starlight è molto ben modellato con l'approssimazione del corpo nero, così come l'intero universo. E da parte sua, la legge di Wien è frequentemente utilizzata in astronomia per determinare la temperatura delle stelle, in base alla lunghezza d'onda della luce che emettono.

Industria militare

I missili mirano al bersaglio utilizzando segnali a infrarossi che cercano di rilevare le aree più calde degli aerei, come ad esempio i motori.

Riferimenti

1. Giambattista, A. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conduzione, convezione e radiazione. Estratto da: eltamiz.com.
3. González de Arrieta, I. Applicazioni della radiazione termica. Estratto da: www.ehu.eus.
4. Osservatorio terrestre della NASA. Clima e bilancio energetico della Terra. Estratto da: earthobservatory.nasa.gov.
5. Natahenao. Applicazioni di calore. Estratto da: natahenao.wordpress.com.
6. Serway, R. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning.