Διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία

Στα προηγούμενα εδάφια, είδαμε δυο τρόπους που γίνεται η διάδοση της θερμότητας και συγκεκριμένα η διάδοση της θερμότητας με αγωγή, που παρατηρείται στα στερεά και η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα που παρατηρείται στα ρευστά.

Υπάρχει και τρίτος τρόπος, τη διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία, που μπορεί να πραγματοποιείται ακόμα και όταν δεν μεσολαβεί ύλη μεταξύ των σωμάτων. Με διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία, διαδίδεται η θερμότητα από τον Ήλιο στη Γη, μέσω του κενού διαστήματος.

Ο τρόπος διάδοσης της θερμότητας με ακτινοβολία, μπορεί κάποιες φορές να είναι ορατός, ενώ κάποιες άλλες φορές να είναι αόρατος.

Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Κάθε μορφή ενέργειας που διαδίδεται με ακτινοβολία, ονομάζεται ενέργεια ακτινοβολίας. Η ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα σώματα, συμπεριλαμβάνει τη μεταφορά φωτεινής ενέργειας ή της θερμότητας ή και τα δυο ταυτόχρονα.

Εκπομπή και απορρόφηση ακτινοβολίας

Όλα τα σώματα εκπέμπουν διαρκώς προς το περιβάλλον τους θερμότητα, υπό τη μορφή ακτινοβολίας. Ταυτόχρονα απορροφούν διαρκώς θερμότητα υπό τη μορφή ακτινοβολίας, από το περιβάλλον τους.

Αν ένα σώμα έχει θερμοκρασία ίση με την θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τότε η εκπεμπόμενη ακτινοβολία σε μορφή θερμότητας είναι ίση με την θερμική ενέργεια που απορροφά με ακτινοβολία. Έτσι η θερμική του ενέργεια και άρα η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή.

Αν ένα σώμα έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος του, τότε αυτό εκπέμπει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απορροφά και έτσι μειώνεται η θερμική του ενέργεια άρα και η θερμοκρασία του.

Στα σώματα που έχουν σταθερή θερμοκρασία, που είναι μεγαλύτερη από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, χρειάζεται να μετατραπεί κάποιας άλλης μορφής ενέργειας σε θερμική, ώστε να αναπληρώνεται η ενέργεια που χάνεται. Στον λαμπτήρα που έχει σταθερή θερμοκρασία, μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, έχουμε τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική, που εκπέμπεται στο περιβάλλον με μορφή ακτινοβολίας. Στον Ήλιο η πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και μ’ αυτό τον τρόπο αναπληρώνονται τα τεράστια ποσά ενέργειας που εκπέμπονται από τον Ήλιο υπό μορφή ακτινοβολίας και έτσι διατηρείται η ζωή στη Γη.

Είδος και ισχύς εκπεμπόμενης /  αναρροφούμενης ακτινοβολίας.

Όλα τα σώματα ανεξάρτητα από την θερμοκρασία τους, εκπέμπουν και απορροφούν ακτινοβολία. Σε θερμοκρασίες γήινου περιβάλλοντος τα σώματα εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας, που είναι κυρίως θερμότητα. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 5000C περίπου, τα σώματα εκτός από τη θερμότητα εκπέμπουν και φωτεινή ενέργεια. Το ποσό της ακτινοβολίας που ένα σώμα εκπέμπει σε ένα δευτερόλεπτο, λέγεται ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας.

Η ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας εξαρτάται:
1] Τη θερμοκρασία του σώματος. Όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα, τόσο περισσότερη ενέργεια ανά δευτερόλεπτο ακτινοβολεί.
2] Το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας
3] Τη υφή της επιφάνειας του σώματος. Οι τραχύς επιφάνειες εκπέμπουν με μεγαλύτερη ισχύ από τις λείες επιφάνειες ίδιας θερμοκρασίας και εμβαδού.
4] Το χρώμα της επιφάνειας. Οι σκουρόχρωμες επιφάνειες εκπέμπουν με μεγαλύτερη ισχύ ακτινοβολίας από τις ανοιχτόχρωμες.

Από τους ίδιους παράγοντες και ακριβώς με τον ίδιο τρόπο, εξαρτάται η ισχύς της ενέργειας που απορροφάται από ένα σώμα. Καταλαβαίνουμε έτσι, ότι τα σκουρόχρωμα ρούχα μας κρατάνε περισσότερο ζεστούς το χειμώνα, από τα ανοιχτόχρωμα, για το λόγο ότι απορροφούν μεγαλύτερη ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ το καλοκαίρι τα ανοιχτόχρωμα ρούχα είναι πιο δροσερά από τα σκουρόχρωμα.

Ακτινοβολία και μικρόκοσμος

Σύμφωνα με τη σύγχρονη φυσική, η ενέργεια ακτινοβολίας μεταφέρεται από κάποια ιδιόμορφα σωματίδια που λέγονται φωτόνια. Έτσι ένα σώμα που εκπέμπει ακτινοβολία, εκπέμπει φωτόνια, ενώ όταν απορροφά ακτινοβολία απορροφά φωτόνια. Η ενέργεια του κάθε φωτονίου μιας ακτινοβολίας καθορίζει το είδος της. Το κάθε φωτόνιο της φωτεινής ενέργειας έχει μεγαλύτερη ενέργεια από κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας που μεταφέρει θερμότητα.

Ανάλογα με την ενέργεια που μεταφέρει κάθε φωτόνιο, προκαλεί και διαφορετικά αποτελέσματα τα οποία κατατάσσουν τα φωτόνια σε διαφορετικές κατηγορίες. Υπάρχουν φωτόνια που ερεθίζουν τα κύτταρα του ματιού μας και μας προκαλούν την αίσθηση της όρασης και ανήκουν στην κατηγορία των φωτεινών ακτινοβολιών. Τα υπόλοιπα είναι αόρατα. Υπάρχουν φωτόνια που , όταν απορροφούνται από ένα σώμα, αυξάνεται η θερμική ενέργεια του. Αυτά τα φωτόνια μεταφέρουν κυρίως τη θερμότητα και ανήκουν στην υπέρυθρη ακτινοβολία.