انتقال گرما به روش تابش و انواع آن

توضیح انتقال گرما به روش تابش

انتقال گرما به روش تابش، را فرایندی می‌گویند که در آن انرژی گرمایی به صورت امواج الکترومغناطیسی (مانند امواج فروسرخ) از یک جسم ساطع شده و به جسم دیگری منتقل می‌شود. این نوع انتقال گرما نیازی به وجود ماده یا محیط فیزیکی ندارد و می‌تواند در خلاء نیز رخ دهد. به همین دلیل، تابش تنها روش انتقال گرما از خورشید به زمین است. میزان انرژی تابشی که یک جسم ساطع می‌کند، بستگی به دمای سطح آن، خواص سطحی (مانند رنگ و بافت) و میزان تابش بازتاب شده دارد. هرچه دمای جسم بالاتر باشد، میزان تابش ساطع شده نیز بیشتر خواهد بود.

در زندگی روزمره، مثال‌های فراوانی از انتقال گرما به روش تابش وجود دارد. گرم شدن بدن در مقابل آتش، احساس گرما از یک لامپ روشن، و یا گرم شدن زمین توسط خورشید همگی نمونه‌هایی از این پدیده هستند. همچنین، استفاده از عایق‌های حرارتی با سطوح بازتابنده در ساختمان‌ها نیز به منظور کاهش انتقال گرما از طریق تابش صورت می‌گیرد.

در صنعت نیز، کوره‌ها و سیستم‌های گرمایشی با استفاده از تابش، انرژی گرمایی را به مواد منتقل می‌کنند که به آن گرمایش تابشی گفته می‌شوند و شامل دستگاه گرماتابشی لوله‌ای می‌گردد.

تابش گرما به چه معناست؟

انتقال گرما از طریق تابش، روشی منحصر به فرد در انتقال انرژی حرارتی به شمار رفته که مستقل از وجود ماده واسط صورت می‌پذیرد. برخلاف هدایت و همرفت، تابش از طریق امواج الکترومغناطیسی، انرژی گرمایی را از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌کند. این امواج، قابلیت عبور از خلاء را دارند؛ ویژگی‌ای که نقش کلیدی در انتقال گرما از خورشید به زمین و در فضا ایفا می‌کند. در واقع، تابش، پرتاب انرژی به شکل امواج الکترومغناطیسی می‌باشد که از هر جسمی با دمایی بالاتر از صفر مطلق ساطع می‌شود.

در دماهای معمولی، این امواج عمدتاً در ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی قرار دارند، و به همین دلیل بیشتر به صورت گرما احساس می‌شوند. با این حال، با افزایش دما، مانند آنچه در خورشید یا شعله آتش رخ می‌دهد، طول موج تابش به سمت نور مرئی تغییر یافته و پدیده درخشندگی یا اینکاندسانس را ایجاد می‌کند. این امواج الکترومغناطیسی، حاصل حرکت و ارتعاشات ذرات درون ماده هستند که انرژی حرارتی را به انرژی تابشی تبدیل می‌کنند و با سرعتی شگفت انگیز در خلاء منتشر می‌شوند، بدون نیاز به هیچ واسطه‌ای.

تابش خورشید، مثال بارزی از این روش انتقال گرما است که انرژی گرمایی را به زمین منتقل و بخشی از آن در جو جذب می‌شود و بقیه آن به سطح زمین رسیده و به انرژی حرارتی تبدیل می‌گردد. کاربردهای این پدیده نیز فراتر از طبیعت است و در فناوری‌های مختلفی از جمله دوربین‌های ترموگرافی و سیستم‌های گرمایشی تابشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در انتقال گرما به روش تابش، حرارت بدون نیاز به وجود ماده‌ای بین دو جسم انتقال یافته، که این ویژگی آن را از دو روش دیگر یعنی هدایت و همرفت متمایز می‌کند. به عبارت دیگر، تابش گرما به صورت امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌شود و قابلیت عبور از خلا را دارد، به همین دلیل این روش برای انتقال گرما از خورشید به زمین و در فضا بسیار مؤثر است. تابش گرمای تولید گردیده با دمای بالاتر از صفر مطلق (0 درجه کلوین) صورت گرفته و در دماهای معمولی، بیشتر این تابش‌ها در محدوده طول موج‌های مادون قرمز قرار دارند. به عبارت دیگر، امواج تابشی که به‌طور عمده به عنوان گرما احساس می‌گردند، در این فرکانس‌ها وجود دارند.

عملکرد انتقال گرما به روش تابش و ویژگی آن

انتقال گرما به روش تابش، پدیده‌ای شگفت‌انگیز است که امکان انتقال انرژی حرارتی را بدون نیاز به واسطه مادی فراهم می‌آورد. تصور کنید که گرما، به جای انتقال از طریق تماس مستقیم یا جریان سیال، به شکل امواج الکترومغناطیسی ساطع شده و در فضا به حرکت در می‌آید. این دقیقاً همان چیزی است که در تابش رخ می‌دهد. تمام اجسام، با دمایی بالاتر از صفر مطلق، به طور مداوم امواج الکترومغناطیسی را منتشر می‌کنند. نوع و شدت این امواج، رابطه‌ی مستقیمی با دمای جسم دارد.

در دماهای نه چندان بالا، غالب این تابش‌ها در حوزه مادون قرمز (IR) قرار دارند؛ همان امواجی که ما به صورت گرما احساس می‌کنیم. اما با افزایش دما، اتفاق جالبی رخ می‌دهد: تابش شروع به تغییر ماهیت نموده و به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر، یعنی نور مرئی، حرکت می‌کند. به عنوان مثال، وقتی دمای یک جسم به حدود 525 درجه سانتی‌گراد (977 درجه فارنهایت) می‌رسد، شروع به درخشش کرده و نور مرئی از خود ساطع می‌کند. این پدیده، که به آن «درخشندگی» یا «اینکاندسانس» می‌گویند، نتیجه‌ی انرژی بالای تابش در دماهای بسیار بالاست.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های انتقال گرما به روش تابش، امکان انتقال انرژی در خلاء است. این بدان معناست که گرما می‌تواند از یک سطح به سطح دیگر بدون نیاز به وجود هیچ ماده‌ای در بین آن‌ها منتقل شود. این ویژگی، تابش را به تنها روش انتقال گرما در فضاهای خالی تبدیل کرده است. به همین دلیل است که گرمای خورشید، با عبور از میلیون‌ها کیلومتر خلاء، به زمین می‌رسد و حیات را در سیاره ما ممکن می‌سازد. این قابلیت منحصر به فرد، تابش را به یک پدیده‌ی حیاتی در طبیعت و همچنین یک ابزار قدرتمند در فناوری‌های مختلف تبدیل نموده است.

انواع انتقال حرارت به روش تابش

اما سوال اینجاست که انواع انتقال حرارت به روش تابش شامل کدام است؟ به طور کلی، وقتی صحبت از انواع انتقال گرما به روش تابش می‌شود، بیشتر به دسته‌بندی بر اساس ویژگی‌های سطح تابش‌کننده یا جذب‌کننده و نحوه تعامل تابش با ماده توجه می‌شود، نه انواع جداگانه‌ای از خود تابش. در اینجا، این دسته‌بندی‌ها و ویژگی‌ها را شرح می‌دهیم:

1. تابش جسم سیاه

جسم سیاه یک مفهوم ایده‌آل است. به این معنا که تابش سیاه‌پیکر، جسمی است که تمام تابش‌های فرودی را جذب می‌کند (هیچ تابشی را بازتاب یا عبور نمی‌دهد) و در عین حال، حداکثر میزان تابش را نیز ساطع گردانده که میزان آن فقط به دمای جسم بستگی دارد. این نوع انتقال گرما به عنوان یک استاندارد برای مقایسه با تابش اجسام واقعی استفاده می‌شود. طیف تابشی جسم سیاه به قانون پلانک وابسته است و حداکثر طول موج تابش نیز به قانون وین مرتبط می‌باشد.

2. تابش اجسام واقعی (گرمایش تابشی)

اجسام واقعی برخلاف جسم سیاه، تمام تابش‌ها را جذب نمی‌کنند و بخشی از آن‌ها را بازتاب یا عبور می‌دهند. میزان تابش ساطع شده توسط یک جسم واقعی کمتر از جسم سیاه در همان دما است. ویژگی‌های سطحی مانند ضریب صدور، ضریب جذب، ضریب بازتاب و ضریب عبور در تعیین میزان تابش ساطع یا جذب شده توسط یک جسم واقعی نقش دارند. کاربرد این نوع از انتقال گرما به روش تابش را می‌توان در طراحی عایق‌های حرارتی، رنگ‌ها و پوشش‌های سطحی، سیستم‌های گرمایش تابشی و سرمایشی، و تحلیل انتقال حرارت در تجهیزات صنعتی نام برد.

3. تابش خورشیدی

یکی از شناخته‌ترین و اصلی‌ترین روش‌های انتقال گرما، تابش خورشیدی است که همان انرژی الکترومغناطیسی بوده که از خورشید به فضا ساطع می‌شود. این تابش، منبع اصلی انرژی برای زمین و سایر سیارات منظومه شمسی است و نقش حیاتی در تعیین آب و هوا، اقلیم و حیات در زمین دارد.

تابش خورشیدی شامل طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیسی است، از جمله: فرابنفش، مرئی و فروسرخ. شدت تابش خورشیدی در خارج از جو زمین (ثابت خورشیدی) تقریباً ثابت است (حدود 1361 وات بر متر مربع)، اما در سطح زمین به دلیل جذب و پراکندگی توسط جو، ابرها و سایر عوامل، متغیر می‌باشد. تابش خورشیدی یک پدیده پیچیده و حیاتی‌ست که درک کامل آن برای بسیاری از زمینه‌های علمی و فناوری ضروری قلمداد می‌گردد.

4. تابش طبیعی حرارت

تابش حرارتی طبیعی به انتقال انرژی حرارتی از یک جسم به جسم دیگر از طریق امواج الکترومغناطیسی گفته می‌شود که به‌طور طبیعی و بدون نیاز به یک محیط مادی صورت می‌گیرد. تمامی اجسام با دمای بالاتر از صفر مطلق (0 درجه کلوین) تابش حرارتی تولید می‌کنند و این تابش به‌طور عمده در محدوده مادون قرمز قرار دارد. به عنوان مثال، گرمایی که از خورشید به زمین می‌رسد، نتیجه تابش حرارتی طبیعی است و این فرآیند به‌طور مداوم در طبیعت در حال وقوع است.

5. تابش گازی

گازها نیز می‌توانند تابش کرده و جذب کنند، اما این پدیده معمولاً پیچیده‌تر از جامدات است و به ترکیب شیمیایی، دما و فشار گاز بستگی دارد. گازها معمولاً در طول موج‌های خاصی (باندهای طیفی) تابش و جذب می‌کنند. در احتراق، انتقال حرارت در کوره‌ها و دیگ‌های بخار، و بررسی جو سیارات کاربرد دارد.

تابش گرما در سیستم‌های گرمایشی چگونه است؟

تابش گرما به عنوان یک روش انتقال حرارت، در سیستم‌های گرمایشی به شکل‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد که امروزه شاهد رشد آن در بسیاری کسب‌وکارها و صنایع هستیم که اصلی‌ترین آنها بخاری تابشی است. در ادامه مقاله به برخی از کاربردهای مهم این مسئله و انتقال گرما به روش تابش در این سیستم‌ها اشاره می‌کنیم:

• گرمایش تابشی

در این روش، یک منبع حرارتی مانند هیتر تابشی، انرژی گرمایی شکل گرفته را به صورت مستقیم به اجسام و افراد موجود در فضا می‌تاباند. این اجسام و افراد، انرژی تابشی را جذب کرده و گرم می‌شوند. نوع عملکرد آن نیز همچون خورشید بوده و حرارتی که به واسطه سوخت گاز و برق تولید شده را از داخل دستگاه و به کمک رفلکتور در محدوده خود پخش می‌نماید.

گرمایش تابشی به سرعت احساس می‌شود، زیرا نیازی به گرم کردن کل هوا نیست و گرمایش سریع یکی از ویژگی‌های آن به شمار می‌رود. این روش باعث ایجاد جریان هوا و گرد و غبار نمی‌شود. همچنین می‌توان مناطق خاصی را بدون گرم کردن کل فضا گرم کرد. از این سیستم تابش گرما در سوله، کارخانه، تأمین گرما برای رشد گیاهان و گرمایش فضاهای باز استفاده می‌شود.

• گرمایش از کف

در این سیستم، لوله‌های حاوی آب گرم یا کابل‌های گرمایشی در زیر کف ساختمان نصب می‌شوند. کف گرم شده، انرژی گرمایی را به صورت تابشی به فضا ساطع می‌کند و باعث گرم شدن اجسام و افراد می‌شود. کاربرد گرمایش از کف شامل منازل مسکونی، ساختمان‌های تجاری، سالن‌های ورزشی و گلخانه‌ها می‌باشد که ویژگی‌های آن عبارت است از:

1. گرمایش یکنواخت: گرمایش از کف باعث توزیع یکنواخت دما در سراسر فضا می‌شود.
2. راندمان بالا: این سیستم می‌تواند با دمای آب پایین‌تری نسبت به رادیاتورها کار کند، که منجر به صرفه‌جویی در مصرف انرژی گردد.
3. آسایش حرارتی: در انتقال گرما به صورت گرمایش از کف، حس آسایش بیشتری ایجاد شده، زیرا سطح زیرین و پاها گرم می‌مانند.

• انتقال گرما به روش تابش با رادیاتورها

شاید برایتان عجیب باشد که رادیاتور نیز یکی از روش‌های انتقال گرما تابشی محسوب می‌شود. رادیاتورها از آب گرم یا بخار برای گرم کردن محیط استفاده می‌کنند. اگرچه نام آن‌ها رادیاتور است، اما در واقع بخش قابل توجهی از گرمای آن‌ها از طریق تابش انتقال می‌یابد (بسته به طراحی و دمای رادیاتور، این میزان می‌تواند بین 30 تا 50 درصد باشد).

ویژگی‌های این نوع انتقال گرما را می‌توان اینگونه بیان کرد که رادیاتورها هم از طریق تابش و هم از طریق همرفت (جریان هوای گرم) گرما را منتقل می‌کنند. همچنین می‌توان دمای رادیاتورها را به راحتی تنظیم کرد. در سراسر جهان از این نوع سیستم به جهت گرمایش منازل مسکونی به طور گسترده استفاده می‌شود. از طرفی، رایج‌ترین روش گرمایش در بسیاری از ساختمان‌های اداری تجاری هم می‌باشد.

• بخاری‌های تابشی قابل حمل

بخاری تابشی قابل حمل از یک المنت گرمایشی استفاده برده که با عبور جریان الکتریکی، داغ شده و انرژی گرمایی را به صورت تابشی ساطع می‌کند. مهم‌ترین ویژگی آنها این‌ست که قابل حمل هستند و می‌توان مناطق خاصی را گرم کرد. از طرفی بخاری‌های تابشی به سرعت گرم می‌شوند و گرما را به طور مستقیم به اجسام منتقل می‌کنند.

برای گرمایش فضاهای کوچک مانند اتاق‌ها و دفاتر، و همچنین گرمایش موقت به منظور گرم کردن سریع یک فضا در مواقع ضروری، دستگاهی مناسب به شمار می‌رود.

سخن پایانی

در این مقاله از گرماپارت دانستیم که انتقال گرما به روش تابش، فرایندی است که در آن انرژی به شکل امواج الکترومغناطیسی پخش و جذب می‌شود. این روش انتقال حرارت نیازی به محیط مادی نداشته و می‌تواند در خلاء نیز رخ دهد. تابش از سطوح اجسام به دلیل دمای آنها صورت می‌گیرد و میزان آن به ویژگی‌های سطح (مانند ضریب صدور و ضریب جذب) و دمای جسم بستگی دارد. درک این پدیده در طراحی سیستم‌های حرارتی، عایق‌بندی، و تحلیل رفتار حرارتی مواد مختلف بسیار حائز اهمیت است.

انواع مختلفی از تابش حرارت وجود دارد، از جمله تابش جسم سیاه، تابش از اجسام واقعی، گرمایش تابشی و تابش خورشیدی. هر یک از این انواع دارای ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود هستند. تابش خورشیدی، به عنوان مثال، طیف گسترده‌ای از امواج الکترومغناطیسی از فرابنفش تا فروسرخ را شامل می‌شود و نقش حیاتی در تعیین آب و هوا و تأمین انرژی برای زمین دارد. در سیستم‌های گرمایشی، تابش به صورت مستقیم نظیر بخاری‌های تابشی یا توسط رادیاتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد و مزایایی همچون گرمایش سریع، موضعی و یکنواخت را فراهم می‌کند.

– – – – – –

در مجله گرماسرما پارت این مقالات را هم بخوانید:

راهکارهای کاهش مصرف گاز در فضاهای صنعتی و عمومی

بهترین دما اتاق و محیط کار چند است؟