تابش گرمایی

گرما به دلیل اختلاف دما از جسمی با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر انتقال می یابد و این انتقال تا وقتی ادامه می یابد که دو جسم هم دما شوند و اصطلاحا به تعادل گرمایی برسند. انتقال گرما به سه صورت متفاوت انجام می شود: رسانش گرمایی، همرفت و تابش گرمایی.

تابش گرمایی

در روش های رسانش و همرفت برای انتقال گرما، گرما در مواد انتقال پیدا می کرد. اما بین زمین و خورشید که خلا وجود دارد، چگونه گرمای خورشید به زمین می رسد؟ با نزدیک کردن دستتان به زیر لامپ رشته ای، احساس گرما می کنید. این گرما به چه روشی به دست شما منتقل شده است؟

می دانیم که هوا رسانای خوبی نیست. همچنین جریان های همرفتی گرما را به سمت بالا منتقل می کنند و چون دست شما زیر لامپ است، این انتقال گرما نمی تواند بر اثر همرفت باشد.

خورشید، لامپ رشته ای، رادیاتور شوفاژ و… از خود پرتوهایی گسیل می کنند که دست ما با جذب کردن آنها گرم می شود.  این پرتوها از نوع امواج الکترومغناطیسی هستند که شامل امواج رادیویی، میکروموج ها، تابش فروسرخ، نور مرئی، فرابنفش، پرتوهای xو پرتو های گاما هستند که هر کدام تولید کننده های مربوط به خود را دارند.

این پرتوها برای انتشار نیازی به محیط مادی ندارند و سرعت انتشار آنها برابر سرعت انتشار نور است.

همه اجسام در هر دمایی تابش الکترومغناطیسی گسیل می کنند که به آن تابش گرمایی می گویند. تابش گرمایی در دماهای زیر  ۵۰۰°C عمدتا به صورت تابش فروسرخ است که نامرئی است.

دما نگاشت

برای آشکار ساختن تابش های فروسرخ از ابزاری به نام دمانگار استفاده می شود و به تصویر به دست آمده از آن دما نگاشت می گویند. در این دمانگاشت ها ناحیه های گرم تر به صورت نمادین با رنگ قرمز و ناحیه های سردتر با رنگ آبی نمایش داده می شود. در شکل زیر تصویر یک دما نگاشت را مشاهده می کنید.

عوامل موثر بر تابش گرمایی

تابش گرمایی علاوه بر دما به مساحت، میزان صیغلی بودن و رنگ سطح جسم بستگی دارد. سطوح صاف و درخشان با رنگ های روشن تابش گرمایی کمتر دارند در حالی که تابش گرمایی سطوح تیره، ناصاف و مات بیشتر است. به همین صورت جذب در اجسام تیره بشتر از جذب در اجسام روشن است. بهتر است در تابستان از لباس های رنگ روشن استفاده شود.

در شکل بالا مشاهده می کنید خاک تیره جذب بیشتری نسبت به آب و آب جذب بیشتری نسبت به خاک روشن دارد. به همین صورت تابش گرمایی نیز از خاک تیره بیشتر است.

توجه داشته باشید بازتاب را با تابش اشتباه نگیرید. هر چه جسمی بازتاب بیشتری داشته باشد یعنی جذب کمتری دارد.

مثال ۱: دو قوری همجنس و هم اندازه را درنظر بگیرید که سطح بیرونی یکی سیاه رنگ و دیگری سفیدرنگ است.  هر دو را با آب داغ با دمای یکسان پر می کنیم.  آب کدام قوری زودتر خنک می شود؟

پاسخ:

قوری سیاه تابش گرمایی بیشتری خواهد داشت. بنابراین زودتر سرد می شود.

تابش گرمایی در پدیده های زیستی

شکار تابش فروسرخ: نوعی از مارهای زنگی اندام هایی حفره ای بر روی پوزه خود دارند که نسبت به تابش فروسرخ حساسند. این مار ها اغلب در سیاهی شب شکار می کنند. در واقع اندام های حفره ای به آن ها کمک می کند که طعمه های خونگرم خود را به واسطه تابش فروسرخشان در تاریکی و سرمای شب مشاهده کنند.

کلم اسکانک:  این کلم یکی از چندین گیاهی است که می تواند دمایش را تا بیشتر از دمای محیط بالا ببرد. این نوع کلم به خاطر بالا رفتن دمایش، انرژی خود را از طریق تابش فروسرخ از دست می دهد و می تواند برف اطرافش را در زمستان آب کند.

رادیومتر کروکس

مثال ۲:  پرتوسنج (رادیومتر کروکس) وسیله ای است که از یک حباب شیشه ای تشکیل شده است که درون آن چهار پره فلزی قائم قرار دارد که می توانند حول یک محور (سوزن عمودی) بچرخند. دو وجِه هر چهار پره، یک در میان سفید و سیاه است.  وقتی این وسیله کنار یک چشمه نور قرار گیرد، پره ها حول سوزن عمودی می چرخند و هر چه شدت نور بیشتر باشد، این چرخش سریع تر است. چرا پره ها می چرخند؟

پاسخ:

حرکت پره ها در رادیومتر کروکس را اغلب به اشتباه به فشار نور مربوط می کنند. اما تأثیر فشار نور بسیار ناچیزتر از آن است که بتواند باعث چرخش پره ها شود. وانگهی اگر چنین چرخشی ناشی از فشار نور وجود می داشت باید در خلاف جهت چرخش مشاهده شده رخ می داد.

 ماجرای اصلی این است که نور )تابش فروسرخ و نورمرئی(  در طرف سیاه پره بیشتر از طرف سفید آن جذب می شود و بدین ترتیب طرف سیاه قدری گرم تر از طرف سفید می گردد و مولکول های هوای اطراف خود را نیز بیشتر گرم می کند. به علت اختلاف دما، مولکول های هوا در طرف سیاه پره ها سریع تر از مولکول های هوا در طرف سفید آن حرکت می کنند و بنابراین نیروی وارد بر طرف سیاه بزرگ تر از نیروی وارد برطرف سفید است و بنابراین پره ها در جهتی می چرخند که نیروی وارد از مولکول های هوا به طرف سیاه پره ها، تعیین می کنند.

ولی اگر داخل حباب شیشه ای کاملاً تخلیه شده باشد، ممکن است در شرایط ایده آل پره ها در خلاف این جهت بچرخند، چرا که در آن صورت همان طور که بالا گفتیم نوری که به پره ها می تابد طرف سفید را بیشتر هل می دهد. در مورد حرکت پره ها در رادیومتر کروکس برخی استدلال می کنند گرچه طرف سیاه دمای بالاتری دارد، اما در عوض در نزدیکی آن چگالی مولکول ها پایین تر است.  با این حال اینشتین ثابت کرد که اختلاف دما عامل مؤثرتری است، اما چگالی پایین مولکول ها در سمت سیاه موجب می شود پره ها با سرعت پایین تری از آنچه مورد انتظار است، بچرخند.

تف سنج

به اندازه گیری دمای جسم مبتنی بر تابش گرمایی، تف سنجی و به ابزارهای اندازه گیری دما به این روش تف سنج می گویند. تف سنج ها بدون تماس با جسم و با دریافت تابش گرمایی از جسم، دمای جسم را اندازه گیری می کنند. به همین دلیل می توانند در دماهای بالای  ۱۱۰۰°C به کارروند. تف سنج های دو نوع هستند، تف سنج های تابشی و تف سنج های نوری. تف سنج نوری به عنوان دماسنج معیار برای اندازه گیری دما انتخاب شده است.

---

---