Varmestråling - varmetransport

Grundbeskrivelse

Varmestråling er elektromagnetisk stråling. Det vil sige, at materialer, hvis temperatur er over det absolutte nulpunkt kan slippe af med varme ved at udsende energien, som lys.

Rødglødende metal er så varmt, at det udstråler lys i det synlige spektrum. Når metallet afkøles og ikke længere gløder vil det stadig udsende infrarød varmestråling i noget tid. (wikimedia commons)

Varmestråling er en af de tre fundamentale mekanismer inden for varmetransport og er forskellig fra de andre former for varmetransport, idet man kan reflektere og fokusere den. Præcis som man er vant til med synligt lys. Står man for eksempel i nærheden af et stykke varmt metal vil man mærke varmen selvom man måske er omgivet af køligere luft.

Tager man i denne situation et stykke alufolie og holder det mellem sig selv og varmekilden vil man opleve at varmen fortager sig øjeblikkeligt. Man kan altså mærke skyggen af foliet.

For temperaturer mindre end rødglødende vil den udsendte stråling være infrarød. Hvilket kun er synligt for mennesket med et kamera, der kan opfange lys i det infrarøde spektrum. Men varmestråling spænder over et bredt spektrum af bølgelængder.

Eksempler på varmestråling i det synlige spektrum er solens lys, som vi ser det, og rødglødende metal.

Eksempler på infrarød varmestråling er den kosmiske baggrundsstråling, molekyleskyer og mennesker/dyr. I det infrarøde spektrum er det muligt at se detaljer man normalt ikke kan se med det blotte øje, da infrarødt lys kan trænge igennem materialer, der for os, til daglig, virker uigennemsigtige.

Uddybende beskrivelse

Elektromagnetisk stråling vil fortsætte uendeligt langt, hvis ikke den absorberes eller afbøjes af et legeme. Netop derfor er varmestråling i det infrarøde spektrum specielt interessant i forbindelse med stjernetåger.
En støvtåge vil blokere og absorbere det synlige lys fra objekter bag den og vil følgende selv udsende lys i det synlige spektrum, men den infrarøde stråling vil slippe nærmest uhindret igennem tågen. 
Mange af de informationer, man har om Universet, stammer således fra observationer gjort i det infrarøde spektrum.

Hestehoved-stjernetågen set i hhv. infrarød og synligt lys. Ved at bruge et filter, der fjerner det synlige lys kan man altså se gennem tågen og få mere information om det, der ligger bagved. (NASA, ESA, og Hubble Heritage Team (AURA/STScI); ESO)

Den udstrålede varme følger Stefan-Boltzmanns lov, der siger, at den udstrålede energi går som kvadratet på temperaturen. Med andre ord udstråles mere effektivt ved højere temperaturer end ved lave.

Derfor vil en klods metal, så længe den er hvidglødende, afgive mest varme ved udstråling, mens den når den når ned i det infrarøde spektrum hovedsageligt afkøles af den omgivende luft.

Sorte legemer:

I følge termodynamikkens anden lov må et legeme med perfekt udstråling også have perfekt absorption. Sorte legemer er idelle legemer, der har perfekt termisk udstråling. Det vil sige, at alle bølgelængder kan absorberes og udsendes lige godt. Et sådan legeme vil derfor fremstå som fuldstændigt sort ved stuetemperatur, deraf navnet. Ved højere temperaturer vil det dog udsende synligt lys.

Dette betyder så, at hvis et materiale har en god absorptionsevne, vil det også have en god emmisionsevne. Den udstrålede energi per sekund per areal er proportional til kvadratet af den absolutte temperatur og udtryks ved Stefan-Boltzmanns lov:

\[\frac{P}{A}=e \sigma (T^{4}-T_{C}^{4})\]

Hvor P er den udsendte energi pr. sekund, A er arealet, e er emmisionskonstanten, som er 1 for et perfekt sort legeme og \(\sigma\) er Stefan-Boltzmanns konstant, som er 5,6703* 10^-8  W/m² * K⁴  er hhv. det udstrålende legemes temperatur og omgivelsernes temperatur. Loven er meget præcis for perfekte sorte legemer, men i praksis vil alle stoffer absorbere og udsende termisk stråling bedre ved bestemte bølgelængder.

Chano Birkelind