انتقال حرارت تشعشع — بررسی مفاهیم و روابط حاکم

انتقال حرارت تشعشع یکی از روش‌های انتقال انرژی و حرارت بین دو جسم با تفاوت دمای مختلف است. مفاهیم و روابط حاکم در سیستم‌ها با پدیده تشعشع در این مقاله به طور کلی مورد بررسی و ارزیابی قرار خواهد گرفت.

یکی از علوم بسیار مهم در شاخه‌های مهندسی مخصوصاً مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی،  مبحث انتقال حرارت است. این پدیده به سبب کاربرد فراوان آن در صنایع مختلف بسیار مورد توجه دانشمندان و محققان مختلف است. مبنای اصلی در مبحث انتقال حرارت پدیده های فیزیکی و شیمیایی‌ای است که انتقال انرژی از یک ماده به ماده دیگر به دلیل اختلاف دما را شامل می شود. به طور کلی انتقال حرارت بین دو جسم که اختلاف دمایی دارند به سه روش مختلف انجام می‌گیرد:

• هدایت (Conduction)
• جابجایی (Convection)
• تشعشع (Radiation)

در هدایت، انتقال گرما در بعد مولکولی و بین ذرات تشکیل دهنده یک جسم ساکن اتفاق می‌افتد. در جابجایی، انتقال گرما به دلیل حرکت توده سیال از یک نقطه به نقطه دیگر انجام می‌شود. اما در انتقال حرارت تشعشع نیازی به محیط مادی چه جسم ساکن و جسم سیال نیست و انرژی و حرارت می تواند در خلاء نیز منتشر شود.  در واقع هر جسم گرم دارای مقداری انرژی است که می‌تواند این انرژی را به وسیله امواج الکترومغناطیس به محیط منتقل کند. در ادامه به بررسی جزئی‌تر فرآیند انتقال حرارت تشعشع می پردازیم.  با این حال می توانید برای آموزش بهتر به وسیله ویدیو های آموزشی به فرادرس مراجعه کنید.

• آموزش انتقال حرارت — کلیک کنید

امواج الکترومغناطیس و انتقال حرارت تشعشع

صدور انرژی از جسم گرم به محیط بوسیله ذراتی به نام فوتون انجام می‌پذیرد که در قالب امواج الکترومغناطیس منتشر می‌شوند.  امواج الکترومغناطیس با توجه به طول موج خود طیف وسیعی را تشکیل می‌دهند که به ترتیب از طول موج بلند به طول موج کوتاه عبارتند از:

• امواج رادیویی (Radio Waves)
• امواج مادون قرمز (Infrared Rays or IR)
• امواج مرئی (Visible Waves)
• امواج ماورای بنفش (Ultraviolet Rays or UV)
• امواج ایکس (X-Rays)
• امواج گاما (Y-Rays)
• امواج کاسمیک (Cosmic Rays)

هر یک از امواج فوق دارای زیر شاخه‌های متعددی هستند که دارای طول موج و فرکانس متفاوتی می‌باشند.  بدیهی است که امواج با طول موج کوتاه می‌توانند انرژی بیشتری را منتقل کنند و برعکس از امواج با طول موج بلند دارای انرژی کمتری هستند. همچنین این امواج برای انتشار، نیاز به محیط مادی ندارد به صورت ایده‌آل در خلا منتشر می‌شوند.

در بین طیف امواج الکترومغناطیس ناحیه‌ای که به آن تابش حرارتی (Thermal Radiation) گفته می‌شود از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این ناحیه معمولاً محدوده بین ۰.۱ تا ۱۰۰  میکرومتر را پوشش می‌دهد که در گستره امواج مادون قرمز تا ماورای بنفش قرار می‌گیرد.

کاربردهای انتقال حرارت تشعشع

به طور کلی انرژی تابشی و انتقال حرارت تشعشعی در موارد بسیاری پدیده غالب انتقال حرارت و انرژی است. به عبارت بهتر زمانی که دمای مطلق یک جسم خیلی زیاد باشد معمولاً  تشعشع از آن جسم به محیط بسیار بیشتر از هدایت و جابجایی است.  به عنوان مثال در مورد کوره‌ها و بویلرها در صنایع مختلف و یا حتی گازهای خروجی از موتور موشک‌ها می توان شبیه سازی را  به راحتی با انتقال حرارت تشعشع انجام داد.

کاربردهای انتقال حرارت تشعشع در طراحی وسایلی که در آن ها از انرژی خورشیدی استفاده می‌شود به وضوح قابل مشاهده است.  نیروگاه‌های خورشیدی، ماشین‌های خورشیدی، آبگرمکن‌های خورشیدی و … همگی از جمله سیستم‌هایی هستند که ساخت آنها با شبیه سازی پدیده انتقال حرارت تشعشع صورت می‌گیرد.  در واقع در این دستگاه‌ها از انرژی ساطع شده از سطح خورشید که به صورت تشعشع به سطح کره زمین می‌رسد استفاده کرده و احتیاجات خود را رفع می‌کنیم.

جسم سیاه

در پدیده انتقال حرارت تشعشع، مفهوم جسم سیاه (Black Body) بسیار اهمیت دارد.  جسم سیاه جسمی است که تمامی تشعشع ورودی به خود را با هر طول موج و از هر سمت را جذب می کند.  به علاوه در یک دما و طول موج مشخص، هیچ سطحی بیشتر از جسم سیاه انرژی ساطع نمی‌کند. همچنین تابش از سطح جسم سیاه مستقل از جهت است.  یعنی جسم سیاه انرژی را به صورت یکنواخت در تمامی جهات منتشر می‌کند.

البته جسم سیاه یک مفهوم ایده آل است و هیچ سطحی به طور کامل خصوصیات یک جسم سیاه را ندارد.  بهترین مثال برای یک جسم سیاه ایده آل جسمی توخالی است که سطح داخلی آن در دمای یکنواخت قرار دارد. اگر مقداری انرژی به وسیله تشعشع از روزنه کوچکی وارد جسم شود،  قبل از خارج شدن  بازتاب‌های متعددی انجام می‌دهد و در درون جسم جابجا می‌شود. لذا تمامی انرژی وارده توسط جسم تو خالی، جذب شده و رفتاری مانند جسم سیاه از خود نشان می‌دهد.

• آموزش هدایت حرارتی پیشرفته — کلیک کنید

قانون استفان بولتزمن

قانون استفان بولتزمن ( Stefan–Boltzmann law) رابطه بین مقدار کل انرژی ساطع شده از یک جسم نسبت به دمای آن است.  بر اساس این قانون کل انرژی منتشر شده از واحد سطح یک جسم سیاه در واحد زمان با توان چهارم دمای آن جسم بر حسب کلوین متناسب است. مفهوم فیزیکی این رابطه به این معنی است که یک جسم سیاه به دمای مشخص می‌تواند انرژی را در تمام جهت‌ها و تمام طول موج ها منتشر کند.

این قانون در اواخر قرن نوزدهم میلادی توسط دانشمند اسلوونیایی ژوزف استفان به صورت تجربی بیان شد و چند سال بعد به وسیله لودویک بولتزمن که یک فیزیکدان اتریشی بود با استفاده از قوانین ترمودینامیکی به دست آمد. ثابت استفان-بولتزمن نیز یکی از روابط بسیار مهم در علم فیزیک و ترمودینامیک است.

دﯾﺎﮔﺮام ﭘﻼﻧﮏ

توزیع گسیل تشعشع از یک جسم سیاه به صورت یک طیف مشخص می‌شود که به توزیع پلانک معروف است. ماسک کارل ارنست لودویگ پلانک یکی از مهمترین فیزیکدانان جهان در سده ۱۹ و ۲۰ میلادی بود.  از او به عنوان پدر نظریه کوانتوم نیز یاد می شود. پلانک  با بررسی توزیع طیفی گسیل تشعشع از جسم سیاه به نموداری رسید که موارد قابل توجهی در آن قرار دارد:

• اگر جسم سیاه با طول موج بزرگتر از ۲ میکرومتر از خود انرژی ساطع کند قابل محاسبه است.
• با افزایش دما در یک طول موج مشخص، مقدار انرژی تابشی طیفی نیمکره همواره افزایش می‌یابد.
• با افزایش دما در طول موج های کوتاه تر،  شیب منحنی پلانک تندتر و محسوس‌تر خواهد بود.
• با افزایش دما نقطه اپتیموم یا پیک منحنی همیشه در جهت طول موج‌های کوتاه‌تر پیشروی می‌کند.
• در دماهای بسیار بالا،  تشعشع عمدتاً در نواحی طول موج ماورای بنفش و مرئی قرار می‌گیرد.
• در دماهای بسیار پایین،  تشعشع عمدتاً در نواحی طول موج مادون قرمز و مرئی قرار می‌گیرد.

روابط حاکم بر انتقال حرارت تشعشع

پس از بررسی مفاهیم اولیه در انتقال حرارت تشعشع و شناخت جسم سیاه به عنوان جسمی ایده آل  در جذب امواج،  اکنون نوبت به بررسی پدیده تشعشع بین سطوح مختلف است.  در این بین جسم سیاه به عنوان سطح ایده آل در ابتدا مورد بررسی قرار می‌گیرد و بعد از آن سطوح عادی مطرح خواهند شد.

ثابت‌های تابشی

جسم سیاه مرجع خوبی برای بررسی پدیده انتقال حرارت تشعشع کند بین سطوح واقعی است.  به این ترتیب بسیاری از مشخصه‌های تابشی یک سطح واقعی را می‌توان به نسبت جسم سیاه سنجید. به عنوان مثال به انرژی ساطع شده توسط یک سطح نسبت به انرژی ساطع شده از جسم سیاه،  گسیلندگی (Emissivity) گفته می‌شود. این تعریف که با نماد ε  نشان داده می‌شود همواره مقداری بین صفر و یک دارد و میزان نزدیک بودن یک سطح به جسم سیاه را مشخص می‌کند.

ﺗﺒﺎدل ﺗﺸﻌﺸﻊ ﺑﯿﻦ اﺟﺴﺎم ﺳﯿﺎه

به طور کلی تشعشع از یک جسم ساطع و یا منعکس شده و با رسیدن به یک جسم دیگر جذب یا منعکس می‌شود. این مسئله برای سطوح ایده آل که همان جسم سیاه است ساده‌تر نیز می‌شود.  چون جسم سیاه تمامی تشعشع ورودی را جذب می‌کند و هیچ انعکاسی از سطح آن وجود ندارد. به این ترتیب وقتی تشعشع بین دو جسم سیاه تبادل می‌شود مقدار انرژی که از جسم ۱ به جسم ۲ می‌رسد دقیقاً برابر با مقدار انرژی است که از جسم ۲ به جسم ۱ می‌رسد، چون در این بین هیچ اتلاف انرژی ای به واسطه انعکاس وجود ندارد.

تبادل تشعشع بین سایر اجسام

به طور کلی پیچیدگی تحلیل تبادل تشعشع به این اجسام به دلیل انعکاس از سطح است. انرژی  وارد شده به یک سطح غیر ایده آل می‌تواند جذب و یا منعکس شود. اگر دمای سطح ثابت و شار تشعشع ورودی و خروجی یکنواخت در نظر گرفته شود رفتار سطوح را می‌توان کدر، پخشی و خاکستری فرض کرد. به این ترتیب تبادل تشعشع می‌تواند به دو صورت مورد بررسی قرار بگیرد:

• ﺗﺒﺎدل ﺧﺎﻟﺺ ﺗﺸﻌﺸﻊ در ﻫﺮ ﺳﻄﺢ
• ﺗﺒﺎدل ﺗﺸﻌﺸﻊ ﺑﯿﻦ ﺳﻄﻮح

اگر دمای یکی از سطوح را ثابت فرض کنیم آنگاه شار خالص تشعشع ورودی به سطح باید با شار خالص تشعشع خروجی از آن برابر باشد. از طرفی چون این دو سطح نسبت به هم بازتاب تشعشع دارند، در نتیجه مقدار شار تابشی که از سطح ۱ به سطح ۲ وارد می‌شود از کم کردن شار بازتابی از سطح ۲ به ۱ به دست می‌آید.

مقاومت تابشی

اگر تفاوت دمای بین سطوح را بر مقدار شار انتقال حرارت تشعشعی منتقل شده بین آنها تقسیم کنیم مقاومت تشعشعی سطحی (Surface Resistance to Radiation) به دست می‌آید. این مقاومت در بررسی پدیده تشعشع و محاسبه نرخ انتقال حرارت تشعشعی بین سطوح از اهمیت بالایی برخوردار است.  به این صورت که هر یک از سطوح به خودی خود دارای یک مقاومت مستقل هستند و همچنین به سبب وجود هر ماده خارجی در بین آنها یک مقاومت سوم نیز وجود خواهد داشت.

مثلاً وقتی یک جسم بین دو سطح قرار می‌گیرد،  هر یک از سطوح خود دارای مقاومت تشعشعی هستند و جسم سوم نیز یک مقاومت تشعشعی بین آنها به وجود می‌آورد.  پس در این حالت سه مقاومت تشعشعی باعث افت قابل توجه شارژ انتقال حرارت خواهد شد.

• مجموعه آموزش مهندسی مکانیک — کلیک کنید

ﺳﭙﺮﻫﺎی ﺗﺸﻌﺸﻌﯽ

هرگاه جسمی مانع فرایند انتقال حرارت  شود به آن سپر یا عایق حرارتی  می‌گوید. حال در مبحث انتقال حرارت تشعشع سپرهای تابشی یا همان عایق‌های حرارتی سطوح براق و آینه‌ای هستند که بین دو سطح اصلی قرار می‌گیرند و سبب افت انتقال حرارت به میزان قابل توجهی می‌شوند. با قرار دادن یک عایق بین دو سطح، سه مقاومت حرارتی به تعداد مقاومت‌های بین دو سطح اضافه می‌شود که در نتیجه آن انتقال حرارت کاهش می‌یابد.

به عنوان مثال از کاربردهای عایق‌های حرارتی در مبحث انتقال حرارت تشعشعی می‌توان به نیروگاه‌های هسته‌ای اشاره کرد.  در این نیروگاه ها،  راکتورهای مختلف با دمای بسیار بالا در حال فعالیت هستند لذا تابش حاصله از آنها بسیار زیاد است. از این رو برای خنک کاری این راکتورها سپرهای تابشی را در فواصل مساوی قرار می‌دهند تا مقدار گرمای تابشی خروجی کاهش یابد.

نتیجه گیری و سخن پایانی

همانطور که در قسمت‌های قبل گفته شد انتقال حرارت تشعشعی به محیط مادی نیاز ندارد.  تشعشع یکی از فرآیندهای بسیار مهم و پیچیده  فیزیکی بوده  و برای دانشمندان جالب ترین نوع انتقال گرما است. انرژی ساطع شده از سطح خورشید که به ما می‌رسد در واقع با فرآیند انتقال حرارت تشعشع به سرعت اتفاق می‌افتد.  مثلا اگر قرار بود این مقدار انرژی توسط فرآیندهای هدایت و جابجایی به زمین برسند سال‌ها طول می‌کشید و در این بین اتلاف انرژی بسیاری رخ می‌داد.

بیشتر انرژی تشعشعی به وسیله سطوح مختلف جذب و منعکس می‌شود.  در واقع اتلاف انرژی در بین این دو سطح بسیار کم خواهد بود. به عنوان مثال زمانی که در یک روز آفتابی به زیر سایه یک درخت می‌روید گرمای کمتری نسبت به زمانی که در زیر آفتاب قرار می‌گیرید احساس خواهید کرد. اما باید بدانید که هوای زیر سایه درخت و هوای در معرض آفتاب تفاوت دمای زیادی ندارند.  این تفاوت گرمای احساس شده صرفاً به دلیل انرژی تشعشع جذب شده توسط بدن شما از سطح خورشید است.

با این حال پس از شناخته بهتر فرآیند انتقال حرارت تشعشع، اکنون می‌توانید بسیاری از پدیده‌های فیزیکی اطراف خود را به راحتی تجزیه و تحلیل کنید. در این بین اگر نیاز به دانش بیشتر در این حوزه دارید و یا در  پروژه های علمی خود نیاز به یک مرجع علمی مناسب برای کمک دارید می توانید به فرادرس مراجعه کنید.  آموزش‌های متنوعی به صورت پروژه محور در مبحث انتقال حرارت تشعشع در فرادرس وجود دارند.