تابش گرمایی: انتشار انرژی به صورت امواج الکترومغناطیسی
تابش گرمایی چیست و چگونه کار میکند؟
همهٔ اجسام، از یخهای قطب گرفته تا شعلهٔ آتش، از خود تابش گرمایی ساطع میکنند. این تابش ناشی از حرکت ذرات باردار (الکترونها و پروتونها) درون اتمهای تشکیلدهندهٔ ماده است. هرچه جسم داغتر باشد، این ذرات با انرژی بیشتری حرکت و لرزش میکنند و در نتیجه امواج الکترومغناطیسی با انرژی بیشتری منتشر میکنند.
یک ویژگی بسیار مهم تابش گرمایی این است که برای انتقال نیاز به محیط مادی ندارد. نور و گرمای خورشید دقیقاً از طریق همین مکانیسم، پس از عبور از خلأ فضا به زمین میرسد. اگر تابش گرمایی نیاز به هوا داشت، هرگز گرمای خورشید را احساس نمیکردیم!
| روش انتقال گرما | نیاز به محیط مادی | سرعت انتقال | مثال |
|---|---|---|---|
| تابش | خیر (در خلأ هم کار میکند) | بسیار زیاد (سرعت نور، 300,000 کیلومتر بر ثانیه) | گرم شدن در زیر نور خورشید |
| همرفت | بله (فقط در مایعات و گازها) | متوسط (بستگی به جریان دارد) | جریان هوای گرم از رادیاتور |
| رسانش | بله (فقط در جامدات) | کند (ذره به ذره) | داغ شدن دستهٔ قاشق فلزی در ظرف غذا |
نقش دما و رنگ در میزان تابش
دمای یک جسم، مهمترین عامل تعیینکنندهٔ میزان و نوع تابش گرمایی آن است. دو دانشمند به نامهای استفان و بولتزمن5 رابطهای ریاضی برای این موضوع کشف کردند:
$P = \epsilon \sigma A T^4$
در این فرمول: $\epsilon$ (ضریب گسیلندگی6)، $\sigma$ (ثابت استفان-بولتزمن)، $A$ (مساحت سطح) و $T$ (دمای مطلق بر حسب کلوین7) است.
این قانون نشان میدهد اگر دمای یک جسم را دو برابر کنیم، مقدار انرژی که تابش میکند، 16 برابر ($2^4 = 16$) میشود! رنگ و جنس سطح نیز مهم است. سطوح تیره و مات (مانند زغال چوب) تابشگرها و جذبکنندههای خوبی هستند ($\epsilon$ نزدیک به 1). سطوح براق و صیقلی (مانند آلومینیوم پولیششده) تابش کمی دارند و بیشتر انرژی را منعکس میکنند ($\epsilon$ نزدیک به 0). به همین دلیل است که رادیاتورها را معمولاً رنگ تیره میزنند تا بهتر گرما بدهند.
طیف تابش گرمایی: فراتر از نور مرئی
چشم انسان تنها قادر به دیدن بخش کوچکی از امواج الکترومغناطیسی است که به آن نور مرئی میگوییم. تابش گرمایی اجسام معمولی در دمای اتاق، عمدتاً در محدودهٔ مادون قرمز8 است که چشم ما آن را نمیبیند اما پوستمان آن را به صورت گرما حس میکند. با افزایش دما، طول موج تابش کوتاهتر میشود و به سمت نور مرئی (قرمز، سپس سفید) و حتی فرابنفش9 حرکت میکند.
| نوع تابش | محدودهٔ تقریبی دما | قابل رؤیت برای انسان؟ | کاربرد نمونه |
|---|---|---|---|
| مادون قرمز دور | کمتر از 0°C | خیر | تصویربرداری حرارتی از ساختمان |
| مادون قرمز متوسط و نزدیک | دمای اتاق تا چند صد درجه | خیر | سنسور حرکت، کنترل از راه دور |
| نور مرئی (قرمز) | حدود 500°C | بله | عنصر گداختهٔ اجاق برقی |
| نور سفید-آبی | بالای 2000°C | بله | نور لامپ رشتهای، سطح خورشید |
کاربردهای شگفتانگیز تابش گرمایی در زندگی و فناوری
تابش گرمایی فقط یک مفهوم کتابی نیست؛ کاربردهای عملی فراوانی دارد که برخی از آنها را هر روز تجربه میکنیم:
• گرمایش خورشیدی: آبگرمکنهای خورشیدی از این اصل استفاده میکنند. صفحههای جاذب تیره، تابش خورشید را جذب و به گرما تبدیل میکنند. برای جلوگیری از اتلاف این گرما، صفحه را درون یک جعبه شیشهای قرار میدهند. شیشه نور مرئی را عبور میدهد اما برای تابش مادون قرمز گرمایی (که صفحه حالا تابش میکند) نفوذناپذیر است و مانند یک تلهٔ گرمایی عمل میکند که اثر گلخانهای10 نام دارد.
• دوربینهای دید در شب و تصویربرداری حرارتی: این دوربینها تابش مادون قرمز ساطعشده از اجسام (حتی در تاریکی مطلق) را دریافت کرده و آن را به تصویری مرئی تبدیل میکنند. از این فناوری در عملیات نجات، تشخیص محل اتلاف انرژی ساختمانها و حتی پزشکی استفاده میشود.
• تنظیم دمای زمین: خورشید با تابش خود زمین را گرم میکند. زمین نیز همانند هر جسم گرمی، تابش گرمایی (مادون قرمز) به فضا میفرستد. گازهای گلخانهای موجود در جو مانند دیاکسید کربن، بخشی از این تابش مادون قرمز را جذب و دوباره به سوی زمین بازمیتابانند و مانند یک پتو طبیعی، زمین را گرم نگه میدارند. بدون این اثر، دمای متوسط زمین به جای 15°C، حدود -18°C بود!
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. همهٔ اجسام، حتی یخ و بدن شما در دمای اتاق، از خود تابش گرمایی ساطع میکنند. تفاوت در میزان و طول موج این تابش است. جسم سردتر، تابش کمانرژیتری (مادون قرمز با طول موج بلندتر) نسبت به یک جسم بسیار داغ (مثلاً خورشید) دارد.
پاسخ: این احساس گرما مستقیماً ناشی از تابش گرمایی خورشید است. تابش خورشید (که بخشی از آن مادون قرمز است) از خلأ فضا و جو زمین عبور کرده و به پوست شما میرسد و آن را گرم میکند. هوای سرد اطراف، عمدتاً از طریق همرفت گرما را از پوست شما میگیرد، اما تابش مستقیم خورشید همچنان یک منبع گرمایی قوی و مستقیم است.
پاسخ: در یک محیط بسته، دقیقاً این اتفاق میافتد! همهٔ اجسام به تدریج به یک دمای تعادل میرسند. در دنیای اطراف ما، منابع انرژی (مانند خورشید، اجاقها) دائماً به برخی اجسام انرژی میدهند و آنها گرمتر از محیط میمانند. این اجسام گرمتر، انرژی تابشی بیشتری از آنچه جذب میکنند، ساطع میکنند و به تدریج سرد میشوند، مگر آنکه منبع گرماییشان ادامه دار باشد.
پاورقی
1 تابش گرمایی (Thermal Radiation)
2 امواج الکترومغناطیسی (Electromagnetic Waves)
3 اجاق خورشیدی (Solar Cooker)
4 طول موج (Wavelength)
5 استفان (Josef Stefan) و بولتزمن (Ludwig Boltzmann)
6 ضریب گسیلندگی (Emissivity)
7 کلوین (Kelvin): واحد اندازهگیری دمای مطلق. صفر کلوین (0 K) برابر با -273.15°C است.
8 مادون قرمز (Infrared)
9 فرابنفش (Ultraviolet)
10 اثر گلخانهای (Greenhouse Effect)
