Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Transkript

1 Lektion 8: Värmetransport TKP4100/TMT4206 Strömning och varmetransport/ varmeoverføring Den gul-orange färgen i den smidda detaljen på bilden visar den synliga delen av den termiska strålningen. Värme strålar även ut från de svarta detaljerna på bilden, men strålningen sker i dessa fall med mindre ljus och även med längre våglängd än det som är synligt för det mänskliga ögat (en värmekamera skulle kunde detektera denna strålning). Ragnhild E. Aune (ragnhild.aune@ntnu.no) 1

2 Värmetransporter Man brukar särskilja tre huvudformer av värmetransport: - konduktion - konvektion - strålning Strålning medför den värmetransport som uppkommer som ett resultat av en elektromagnetisk vågrörelse som är besläktad med det synliga ljuset. 2

3 Strålning generellt Två typer av strålning: Partikelstrålning - en form av joniserande strålning där partiklarna har massa och består av ett flöde av antingen atomer eller delar av atomer. Elektromagnetisk strålning en vågrörelse, som består av en elektrisk och en magnetisk komponent som oscillerar i rät vinkel mot varandra och mot rörelseriktningen, som fortplantas i tid och rum. Partikelstrålning Elektromagnetisk strålning 3

4 Strålning generellt Två typer av vågrörelser: Mekanisk - Strömning som förplantar sig i ett medium (t.ex. ljudvågor, havsvågor...) Elektromagnetisk - Strömningar i ett elektromagnetiskt fält som kan förplantar sig i vakuum (t.ex. ljus, radiovågor, mikrovågor...) behöver inte ett medium att förplanta sig i. 4

5 Strålning generellt Vågrörelsen karakteriseras av: Våglängd (λ) Frekvens (svängningar/sekund) Utbredningshastighet Amplitud Periodtiden våglängden (λ) utbredningshastigheten amplituden periodtid 5

6 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Hög frekvens Längre våglängder 6

7 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Radiovågor är den mest lågfrekventa formen av elektromagnetisk strålning (våglängderna kan vara kilometerlånga). Mikrovågor är elektromagnetisk strålning inom de högre radiofrekvensbanden, det vill säga mycket kort våglängd (från 300 till 500 MHz och uppåt mot en obestämd gräns). 7

8 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Infraröd strålning (IR-strålning) är elektromagnetisk strålning inom våglängdsområdet 700 nm till 1 mm (våglängder strax över de för synligt ljus). Infraröd strålning kallas ofta värmestrålning all värmeöverförning genom strålning sker dock INTE genom infraröd strålning. I vardagliga sammanhang är en stor del av den strålning som utsänds från olika föremål i det infraröda spektrumet (beror på föremålets temperatur). 8

9 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Synligt ljus är elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan ca. 390 och 770 nm genom att vårt öga är känsligt för strålning i detta intervall så kan vi se vår omgivning. Ultraviolett strålning (UV-strålning/ljus) är elektromagnetisk strålning med en vågläng mellan 400 till 10 nm gränserna mot den kortvågigare röntgenstrålningen är ganska flytande. 9

10 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Röntgenstrålning är en typ av joniserande elektromagnetisk strålning med kort våglängd (ca nm) och höga fotonenergier (100 ev 100 kev). De kortare våglängderna förmår tränga igenom en människokropp (bättre genom vävnad än genom ben) gör denna strålning lämplig att använda inom till exempel sjukvården för röntgenundersökningar. 10

11 Strålning generellt Elektromagnetiska vågor delas in i olika områden beroende på dess våglängd: Gammastrålning är joniserande strålning bestående av fotoner emmitteras från en atomkärna. Gammastrålning är den mest genomträngande formen av strålar som förekommer i samband med radioaktivitet kan stoppas med hjälp av en betongvägg eller en blyvägg. 11

12 Strålning generellt Solens spektrum nm 12

13 Strålning generellt Värmestrålning är elektromagnetisk strålning som utsänds från ytor på grund av deras temperatur. En del av denna strålning är synligt ljus, men värmestrålning utsänds på en bred fördelning av Intensitet Solstrålning Våglängd (μm) våglängder. Värmestrålningen är den del av spektret som omfattar våglängderna ca 0.1 μm till ca 100 μm. 13

14 Strålning generellt Allting som inte är vid absoluta nollpunkten sänder ut elektromagnetisk strålning, s.k. temperaturstrålning. Infrarödbilder där färgerna är kodade för att visa strålningstemperaturen hos bildens detaljer. En värmekamera (IR-kamera) kan detektera synlig och osynlig strålning. 14

15 Strålning generellt När den aktuella kroppen blir varm börjar den sända ut värmestrålning. 700 C C C Energimängd och våglängd på den utsända strålningen beror på kroppens temperatur. Alla kroppar sänder ut strålning, men det är mycket lite synbart ljus under 700 C. 15

16 Sammanfattning Elektromagnetisk strålning Ökande våglängd Ökande energi Icke-joniserande Joniserande Tränger genom jordens atmosfär? Ja No Ja No Våglängden (m) Radio Mikro Infraröd Synlig Ultraviolett Röntgen Gamma Ungefär samma storlek som... Byggnader Människor Fjäril Knappnålsspets Protozoer Molekyler Atomer Atom kärnor Frekvens (Hz) Temperaturen på den kropp som skickar ut en viss vågläng (K) Protozoer = encelliga organismer 16

17 Frågor? 17

18 Värmestrålning Värmeöverföring genom strålning är till karaktär helt skild från de två tidigare diskuterade formerna av värmetransport. Strålning är en process där elektroner exiteras (energi tillförs en atom så att en elektron "hoppar upp" till ett skal som innehåller mer energi) och därigenom avger fotoner med en viss energi. Beroende på energinivån så är strålningen antingen synlig (låg energi nivå) eller inte (t.ex.röntgenstrålning). 18

19 Värmestrålning Alla kroppar avger värmestrålning som ett resultat av de med temperaturen ökande elektronvibrationerna. Värmestrålningen är en del av spektret för elektromagnetisk strålning. 19

20 Värmestrålning Genom strålning kan värmetransport ske: - mellan kroppar på stort avstånd från varandra, t.ex. från solen till jorden - genom vakuum Solen Jorden Strålning 20

21 Strålning Stefan-Boltzmanns strålningslag Strålningen från en yta eller kropp kan beräknas enligt Stefan-Boltzmanns strålningslag: Josef Stefan q = σ A 4 T Svar kropp där σ är Stefan-Boltzmanns Ludwig Boltzmann konstant ( W/(m 2 K 4 )) Stefan-Boltzmanns strålningslag gäller enbart för svarta kroppar. 21

22 Strålning Stefan-Boltzmanns strålningslag For verkliga eller diffusa ytor gäller istället följande samband: Diffus yta q = ε σ A 4 T där ε är emissionstalet. Emissionstalet (ε) beskriver hur effektivt en yta strålar. En svart kropp har en utstrålning där emissionstalet är ε = 1 och verkliga ämnen har en utstrålning där emissionstalet ligger mellan noll och ett (0 <ε <1). 22

23 Strålning Stefan-Boltzmanns strålningslag Strålning lämnar dock inte enbart ytor utan: - absorberas - transmitteras - reflekteras Fönster Transmition Reflektion Absorption 23

24 Strålning Stefan-Boltzmanns strålningslag Totalt måste dock strålning som absorberas, transmitteras och/eller reflekteras vara lika stor som den inkommande strålningen. Detta beskrivs enligt följande samband: α + τ + ρ = 1 där α = absorptionstalet τ = transmissionstalet ρ = reflektionstalet Hur mycket strålning en yta upptar är även beroende av utbytesfaktorn F som anger hur stor yta som är vänd mot den strålande kroppen. Talen kan endast variera mellan 0 och 1. 24

25 Strålning och konvektion Värmetransporten till eller från en yta kan ske samtidigt genom strålning och konvektion i olika former. Vid en yta i ett rum, exempelvis en radiator för uppvärmning, erhålles dels: - en värmetransport till rumsluften genom konvektion, samt - ett värmeutbyte genom strålning mellan radiatorytan och övriga ytor i rummet. Värm luft Kall luft 25

26 Strålning och konvektion Vid en våt yta i luft, eller vid en yta där daggeller frostutfällning uppträder, har man utöver konvektions- och strålningsbidragen även värmetransporten genom diffusion. Det totala värmeutbytet med omgivningen är summan av bidragen från de olika former av värmeutbyte som uppträder vid den betraktade ytan. 26

27 Frågor? 27