Топлинско зрачење — електромагнетно зрачење, создадено од страна на топлинското зрачење на наелектризираните честички во материјалот. Сите материјали со температура поголема од апсолутната нула оддаваат топлинско зрачење. Кога температурата на телото е поголема од апсолутна нула, настануваат внатрешени судири на атомите, со што се менува кинетичката енергија на атомите или молекулите. Ова доведува до забрзување на честичката, или пак до диполна осцилација од која произлегуваат ектромагнетни зрачења, како и широк спектар на зрачење кој се одразува на широкиот спектар на енергии и забрзувања кои се јавуваат дури и при единечна температура.
Примери за топлинско зрачење се: видливата светлина и инфрацрвената светлина одадена од жарулка, инфрацрвеното зрачење од животните кое може да се забележи со топлинска камера и космичкото позадинско микробраново зрачење. Топлинско зрачење е поразлично од топлинските струења и топлинската спроводливост, лице во близина на бесен оган го чувствува греењето и зрачењето од огнот, дури и ако околниот воздух е многу студен.
Сончевата светлина е дел од топлинското зрачење создадено од страна на жешката плазма на Сонцето. Земјата исто така, оддава топлинско зрачење, но со многу помала јачина и различна спектрална распределба (инфрацрвена, наместо видлива) бидејќи таа е поладна. Впивањето на сончевото зрачење и неговото оддавање од Земјата, се двата најважни процеси кои ја одредуваат температурата и климата на Земјата.
Ако зрачењата кои потекнуваат од телото ги исполнуваат физичките одлики на црно тело во термодинамичка рамнотежа, зрачењето се нарекува црнотелесно зрачење.K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p.278 Планковиот закон го опишува црнотелесното зрачење, зрачење кое зависи само од температурата на телото. Виновиот закон за поместувањето ја одредува најверојатната честота на оддаденото зрачење, како и Штефан-Болцмановиот закон кој ја определува јачината на зрачењето.K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p.280
Топлинско зрачење е еден од основните механизми за топлински пренос
Преглед Топлинското зрачење е оддавање на електромагнетни бранови од сите материи кој имаат температура поголема од апсолутна нула. Со други зборови претставува премин на топлинската енергија во електромагнетна енергија. Топлинската енергија се состои од кинетичката енергија на случајни движења на атомите и молекулите. Сите материјали со температура по дефиниција се составени од честички кои имаат кинетичка енергија, и кои заемодејствуваат едни со други. Овие атоми и молекули се составени од наелектризирани честички, како на пример, протони, електрони и кинетичките заемодејства меѓу материјалните честички доведуваат до забрзување и диполни осцилациии. Ова доведува до електродинамичко создавање на мешавина на електрични и магнетни полиња, што доведува до оддавање на фотони, кои зрачат енергија од телото преку површинаската граница. Електромагнетно зрачење, вклучувајќи ја и светлината, нема потреба од материјална средина за да се придвижи може бесконечно долго да се движи во вакуумот сè додека не наиде на некоја препрека.
Одликите на топлинското зрачење зависат од различните својства на површината од која произлегув, вклучувањето на температурата, нејзината спектрала впивачка и оддавачка моќност, изразени преку Кирхофовиот закон. Зрачењето не е еднобојно, односно тоа не се состои од само една честота, туку од непрекинатото расејување на фотонска енергија, односно карактеристичниот спектар. Ако зраченото телото и неговата површина се во термодинамичка рамнотежа и површината совршено ги впива сите бранови должини, однсосно станува збор за црно тело. Црното тело е исто така добар оддавач. Зрачењето на таково совршено емитери се нарекува црнотелесно зрачење.
Впивањето,рефлексивноста и оддавањето на сите тела зависи од брановата должина на зрачењето. Температурата ја одредува распределбата на брановата должина на електромагнетно зрачење. На пример, свеж снег, кој поседува висока рефлексивност на видливата светлина (рефлексивност од околу 0,90), има бел сјај поради одбивањето на сончевата светлина чија бранова должина изнесувау 0,5 микрометри. Емисивноста при температура од околу -5 °C при максимална брановата должина од околу 12 микрометри, е 0,99.
Распределбата на енергијата, кое црното тело ја оддава при различна честота е опишана со Планковиот закон. При било која случајна температура, постои честота fмах при која максимално се срачи енергија. Виновиот закон за поместувањето, и фактот дека честотата на светлината е обратнопропорционална од брановата должина во вакуум, значи дека максималната честота fмах е пропорционална со апсолутната температура на црното тело. Фотосферата на Сонцето, има температура од околу 6.000 K, и оддава зрачење главно во видливиот дел од електромагнетниот спектар. Земјината атмосфера е делумно провидна на видливата светлина, а светлината за да стигне до површината се впива или рефлектира. Површината на Земјата го оддава впиеното зрачење, што приближно наликува на црно тело на 300 К со спектрален максимум на fмах. На овие пониски честоти, атмосферата во голема мера е непровидна и зрачењето од површината на Земјата се впива или расејува од атмосферата. Иако дел од зрачењето заминува во вселената, поголемиот дел од зрачењето се впива и потоа повторно враќа назад одбивајќи се од атмосферските гасови. Токму оваа спектрална селективност на атмосферата е одговорна за планетарните ефекти на стаклена градина, придонесувајќи за глобалното затоплување и климатските промени во целина (но, исто така, критички придонесува за стабилноста на климата кога составот и својствата на атмосферата не се менуваат).
Жарулката има спектар кој се преклопува со спектарот на црно тело на Сонцето и Земјата. Некои од фотоните одадени од светилката со вжарена волфрамова жица на 3000 К се во видливиот дел на спектарот. Поголемиот дел од енергијата е пренесена од фотони со подолги бранови должини, овие се невидливи за човековото око, но сепак се носители на топлина во животната средина, како што може да се заклучи емпириски со набљудување на жарулката. Секогаш кога електромагнетното зрачење се оддава, а потоа се впива, се пренесува топлина. Овој принцип се користи кај микробрановите печки, ласерското сечење и електрологијата.
За разлика од спроводните и струевитите облици на пренос на топлина, топлинското зрачење може да е сконцентрирано во мал простор со користење на релектирачки огледала. Концентрирањето на сончевата енергија е последица од овој факт. Во многу такви системи, се користат огледалата за да се концентрира сончевата светлина во помал простор. Наместо огледала, може да се користат и Френелови леќи за да се концентрира топлинскиот тек. (Во принцип, може да се користи секој вид на леќи, но само Френеловите леќи се практични кај поголемите леќи.) И двата метода можат да се користат за брзо испарување на водата во пареа со користење на сончевата светлина. На пример, сончевата светлина одбиена од огледдала ја загрева сончевата централа PS10, а во текот на денот може да ja загрее водата до 285 °C (558,15 К).
Површински ефекти Посветло обоените супстанци и светлите метални супстанции впиваат помало количество на светлина, а со тоа и површината помалку се загрева, но бојата на предметот прави мала разлика во однос на процесот на пренос на топлината кај предметите изложени на постојани секојдневни температури во непосредната околина, со оглед на тоа дека доминантните бранови должини не се оддаваат во близина на видливиот дел од спектарот, туку во далечниото инфрацрвено зрачење. Оддавањето при тие бранови должини има мала поврзаност со зрачењето во видливиот дел во спектарот (видливи бои), во далечниото инфрацрвено зрачење, повеќето тела имаат висока зрачна моќ. Така, освен за сончевата светлина, бојата на облеката прави мала разлика во погледот на затоплувањето, па така, бојата на куќите прави мали разликата во однос на загревањето освен кога станува збор за ѕид кој е изложен на сончевиот сјај.
Исклучок се сјајните метални површини, кои имаат ниска оддавачка моќност во видливите бранови должини и во далечното инфрацрвено зрачење. Таквите површини може да се користат за да се намали преносот на топлина во двата правци, пример за ова е повеќеслојната изолација која се користи кај вселенските летала.
Ниската оддавачка моќ на прозорците во домовит се должи на посложена технологија, бидејќи тие треба да имаат ниска оддавачка моќност при топлинските бранови должини, додека пак се провидни за видливата светлина.
Наноструктурите со својства на спектрално селективна топлинска оддавачка моќност нудат бројни технолошки примени за производство на енергија и ефикасност, на пример, за ладење на фотоволтаични ќелија и згради. Овие примени имаат потреба од висока оддавачка моќ во честотен опсег што одговара на атмосферската провидност на прозорецот од 8 до 13 микрони. На тој начин, одбран оддавач кој зрачи силно во овој опсег под ведро небо, овозможува употреба во вселената како привелекувач на топлина при многу ниски температури.
Личната рразладувачка технологија е друг пример за примена каде оптичката спектралан пребирливост може да биде од корист. Вообичаено личното разладување се постигнува преку топлинска спроводливост и ковекција. Сепак, чоековото тело е многу ефикасен оддавач на топлинското зрачење, што пак е дополнителен разладувачки механизам. повеќето платна се непровидни при инфрацрвено зрачење и го блокираат топлиснкото зрачење од телото кон околината. Постои предлог за изработка на платна за лично разладување кои овозможуваат инфрацрвеното зрачење да мине директно низ облеката, додека пак е непровидно при бранови должини од видливиот дел на спектарот. Платната кои се провидни на инфрацрвено зрачење многу поделотворно ќе ја оддават топлината со што ќе се намали потрожувачката на струја кај климатските уреди.
Својства Постојат четири главни својства кои се карактеристични за топлинското зрачење (во граница на далечно поле):
Топлинското зрачење оддадено од страна на тело при било која температура се состои од широк опсег на честоти. Честотата е определена со Планковиот закон за црно тело за идеализиран оддавач како што е прикажано во дијаграмот погоре. Доминантната честота (или во боја) спектар на оддаденото зрачење се менува при повисоки честоти кога температурата на оддавачот се зголемува. На пример, едно црвено жежко тело зрачи претежно во видливите долги бранови должини (црвена и портокалова). Ако тоа се загрева понатаму, започнува да оддава забележливи количини на зелена и сина светлина, и честотите започнуваат да го опфаќаат целиот видлив спектар што предизвикува телото да биде бело за човековото око. Дури и при температура од 2000 К, 99% од енергијата на зрачење сè уште е во инфрацрвеното подрачје. Ова е утврдено со Виновиот закон за поместувањето на дијаграмот максималните вредности за секоја крива се движат кон лево како резултат на зголемвањето на температурата. Вкупниот износ на зрачењето при сите честоти нагло се зголемува како што се зголемува температурата, односно како T4, каде што T е апсолутна температура на телото. Тело со температура еднаква на температурата на рерната, односно со температура за двапати повисока од собната температура на апсолутната температурна скала (600 К наспроти 300 К) зрачи 16 пати повеќе енергија по единица површина. Телото со температурата на влакното во жарулката односно околу 3000 К, или 10 пати поголема од собната температура, зрачи 10.000 пати повеќе енергија по единица површина. Вкупниот интензитет на црното тело се зголемува како четврт степен од апсолутната температура, како што е дадено со Штефан-Болцмановиот закон. На графикот површината под секоја крива расте со зголемувањето на температурата.