يُطلق على عملية انتقال الحرارة في الفراغ اسم الإشعاع .وعلى عكس التوصيل والحمل الحراري، لا يتطلب الإشعاع وسطاً للانتشار.وبدلاً من ذلك، تنتقل الحرارة على شكل موجات كهرومغناطيسية، مثل الأشعة تحت الحمراء.هذا النمط من انتقال الحرارة ضروري في بيئات مثل الفضاء، حيث لا يوجد هواء أو مادة أخرى لتسهيل التوصيل أو الحمل الحراري.ومن الأمثلة الشائعة لانتقال الحرارة الإشعاعية ضوء الشمس الذي ينتقل عبر فراغ الفضاء ليصل إلى الأرض.
شرح النقاط الرئيسية:
-
تعريف الإشعاع:
- الإشعاع هو العملية التي تنتقل بها الحرارة على شكل موجات كهرومغناطيسية.وهي لا تعتمد على وجود وسط، مما يجعلها فريدة من نوعها مقارنة بالتوصيل والحمل الحراري.
- في الفراغ، حيث لا وجود للمادة، يكون الإشعاع هو النمط الوحيد لانتقال الحرارة.
-
آلية انتقال الحرارة الإشعاعية:
- تنبعث الطاقة الحرارية من جسم ساخن على شكل موجات كهرومغناطيسية، في طيف الأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي.
- تنتقل هذه الموجات عبر الفراغ بسرعة الضوء حتى تصادف جسمًا آخر، حيث يتم امتصاصها وتحويلها مرة أخرى إلى حرارة.
-
أمثلة على الإشعاع في الفراغ:
- ضوء الشمس: المثال الأكثر شيوعًا لانتقال الحرارة الإشعاعية في الفراغ هو ضوء الشمس الذي ينتقل عبر الفضاء.فالشمس تبعث موجات كهرومغناطيسية، بما في ذلك الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، التي تنتقل عبر فراغ الفضاء لتصل إلى الأرض.
- الإشعاع الحراري في المركبات الفضائية: تستخدم المركبات الفضائية نقل الحرارة الإشعاعي للتحكم في درجة الحرارة.على سبيل المثال، فإنها تشع الحرارة الزائدة في الفضاء لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
-
لماذا الإشعاع فريد من نوعه في الفراغ:
- في الفراغ، يستحيل التوصيل والحمل الحراري في الفراغ لأنهما يتطلبان وسيطًا (مثل الهواء أو الماء أو مادة صلبة) لنقل الحرارة.
- أما الإشعاع، فيعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية التي يمكن أن تنتشر عبر الفضاء الفارغ دون أي وسيط.
-
الآثار العملية لتصميم المعدات:
- الإدارة الحرارية في الفضاء: يجب أن يأخذ المهندسون الذين يصممون المعدات للفضاء في الحسبان انتقال الحرارة الإشعاعية.على سبيل المثال، تستخدم الأقمار الصناعية أسطحاً عاكسة لتقليل امتصاص الحرارة إلى أدنى حد ممكن، وتستخدم مشعات لتبديد الحرارة الزائدة.
- العزل بالتفريغ: في الحاويات المعزولة بالتفريغ، يتم تقليل انتقال الحرارة إلى الحد الأدنى لأن الإشعاع هو النمط الوحيد لانتقال الحرارة، ويمكن التحكم فيه باستخدام الحواجز العاكسة.
-
مقارنة مع أنماط نقل الحرارة الأخرى:
- التوصيل: يتطلب الاتصال المباشر بين الجسيمات في مادة صلبة أو سائلة أو غازية.غير ممكن في الفراغ.
- الحمل الحراري: يتضمن حركة السوائل (السوائل أو الغازات) لنقل الحرارة.مستحيل أيضًا في الفراغ بسبب غياب المادة.
- الإشعاع: النمط الوحيد لانتقال الحرارة الذي يعمل في الفراغ، حيث يعتمد على الموجات الكهرومغناطيسية.
-
التمثيل الرياضي لانتقال الحرارة الإشعاعي:
-
يصف قانون ستيفان-بولتزمان القدرة التي يشعها جسم أسود بدلالة درجة حرارته:
- [
- ع = \سيغما أ ت^4
- ]
- حيث:
-
يصف قانون ستيفان-بولتزمان القدرة التي يشعها جسم أسود بدلالة درجة حرارته:
-
( P ) هي القدرة المشعة,
- ( \سيغما ) هو ثابت ستيفان-بولتزمان, ( A ) هو مساحة سطح الجسم,
- ( T ) هي درجة الحرارة المطلقة للجسم. تطبيقات خارج الفضاء:
التصوير الحراري:
يستخدم الأشعة تحت الحمراء للكشف عن البصمات الحرارية، حتى في الفراغ.
| الطاقة الشمسية: | تمتص الألواح الشمسية الحرارة الإشعاعية من الشمس لتوليد الكهرباء. |
|---|---|
| من خلال فهم عملية انتقال الحرارة الإشعاعية، يمكن للمهندسين والعلماء تصميم أنظمة تدير الحرارة بفعالية في بيئات الفراغ، مثل معدات استكشاف الفضاء والحاويات المعزولة بالتفريغ وأجهزة التصوير الحراري. | جدول ملخص: |
| الجانب الرئيسي | الوصف |
| تعريف الإشعاع | انتقال الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية، دون الحاجة إلى وسيط. |
| الآلية | موجات الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الأجسام الساخنة، والتي تمتصها الأجسام الأكثر برودة. |
| أمثلة على ذلك | ضوء الشمس، والإدارة الحرارية للمركبة الفضائية. |
| فريدة من نوعها في الفراغ | الوضع الوحيد لانتقال الحرارة في الفراغ. |
التطبيقات العملية تصميم المركبات الفضائية، والعزل بالفراغ، والتصوير الحراري، والطاقة الشمسية. التمثيل الرياضي
