1. Podstawy fizyczne

Zasady promieniowania (1/2)

Zasady promieniowania są istotne dla zrozumienia promieniowania cieplnego. Promieniowanie cieplne emitowane przez obiekt jest uzależnione od jego temperatury i właściwości materiałowych. Zdolność absorpcji i emisji promieniowania to właściwości materiałów, które wymagają tutaj rozważenia. Ich wzajemna zależność została określona w prawie Kirchoffa.

Wpływ temperatury na emisję promieniowania wynika z prawa Stefana-Boltzmanna. Promieniowanie jest emitowane w postaci fal elektromagnetyczych, a jego natężenie jest funkcją długości fali. Maksymalną emisję promieniowania cieplnego wyjaśnia prawo przesunięć Wiena, natomiast kształt całego rozkładu emisji prawo Plancka.

Prawo Kirchoffa

Zdolność emisji ε oznacza zdolność obiektu do emisji promieniowania cieplnego, przy czym jej wielkość waha się w przedziale od 0 (brak emisji) do 1 (najwyższa możliwa emisja). Zdolność absorpcji α obiektu oznacza stopień pochłaniania promieniowania padającego przez obiekt. Jest ona definiowana jako:

i waha się w przedziale od 0 do 1, gdzie 1 odpowiada całkowitej absorpcji, a 0 całkowitemu odbiciu lub transmisji.

Prawo Kirchoffa, opracowane w 1859 roku, stwierdza:

zdolność absorpcji i emisji jest taka sama. W związku z tym obiekty, które absorbują całość promieniowania padającego (α=1) mają najwyższą zdolność do oddawania energii termalnej (ε=1). Są one określane jako ciała doskonale czarne, gdzie termin czarny wskazuje na całkowity brak promieniowania odbitego. Obiekty, które absorbują choćby ułamek promieniowania padającego (α<1) są określane ciałami doskonale szarymi.

Zdolność absorpcji i emisji jest zależna od długości fali dla danego ciała/obiektu. Wysoka lub niska zdolność absorpcji obiektu w różnych zakresach widmowych przekłada się na wysoką lub niską zdolność emisji w tych samych zakresach spektralnych. W związku z tym uogólnione prawo Kirchoffa można zapisać jako:

Ziemia w świetle widzialnym (po lewej) i w termicznej podczerwieni (po prawej) widziana z satelity Meteosat w 2004 roku.
Źródło: Beckel 2007

Prawo Stefana-Boltzmanna

Teorię tego prawa opracował Józef Stefan w 1879 roku, natomiast empirycznie zostało ono potwierdzone przez Ludwiga Boltzmanna w roku 1884. Prawo to wyjaśnia zależność temperatury od intensywności promieniowania cieplnego emitowanego przez obiekt. Wzrasta ona znacząco wraz ze wzrostem temperatury absolutnej T podanej w stopniach Kelvina (K). Egzytancja energetyczna M, którą stanowi moc promieniowania emitowanego przez powierzchnię obiektu, podaną w jednostkach W/(m²) to:

ze stałą Stefana-Boltzmanna σ=5.7·10^-8 W/(m²K). Przykładowo, wzrost temperatury bezwzględnej obiektu o współczynnik 2 powoduje 16-krotnie większą emisję promieniowania cieplnego.

Zmiana temperatury jest również powiązana ze zmieniającym się rozkładem emisji, który został wyjaśniony poprzez prawo Plancka (zobacz na następnej stronie).