Isı radyasyonu

Isıl ışınım maddedeki yüklü parçacıkların ısıl hareketiyle meydana gelmiş elektromanyetik ışınımdır. Isısı mutlak sıfırdan büyük olan her madde ısıl ışınım yayar. Isısı mutlak sıfırdan büyük olan maddelerde atomlar arası çarpışmalar, atomların ya da moleküllerin kinetik enerjisinde değişime neden olur.

Isıl ışınım örneği parlak bir ampul tarafından yayılan kızılötesi ışıkları ve gözle görülür ışıkları içerir. Hatta hayvanlar tarafından yayılan kızılötesi ışınları ve kameralar tarafından tespit edilebilen kızılötesi ışınları ve kozmik mikrodalga arka plan ışıması da buna dahildir. Isıl ışınım, ısı kodüksiyonu ve ısı konveksiyonundan farklıdır. Dışarıda yakılan bir ateşin yanında duran bir insan hava çok soğuk olmasına rağmen gelen yüksek sıcaklığı hisseder.

Güneş ışığı, güneşin sıcak plazmasından meydana gelen ısıl ışınımdır. Dünya da ısıl ışınım yayar fakat daha düşük yoğunluktan ve farklı elektromanyetik tayf yüzünden daha soğuktur. Dünyanın güneş ışınımını emmesi, iklim ve dünya sıcaklığı gibi iki önemli konuyu belirler. Eğer ışınım yayan cisim termodinamikteki kara cisim ışımasının fiziksel karakterini karşılarsa, bu ışınıma kara cisim ışıması denir.^[1] Planck Kanunu, cismin sıcaklığına bağlı olan kara cisim ışımasını tayfını tarif eder. Wien’in yer değiştirme kanunu daha çok yayılan ışınımın frekansını belirler ve Stefan-Boltzmann Kanunu ise ışın yoğunluğunu verir.^[2]

Isıl ışınım, ısı transferinin temel mekanizmasıdır.

Isıl ışınım, sıcaklığı mutlak sıfırdan büyük olan maddelerin elektromanyetik dalga yaymasıdır.^[3] Isıl enerjiyi, elektromanyetik enerjiye çevirmeyi temsil eder. Isıl enerji, maddedeki moleküllerin ve atomların rastgele hareketindeki kinetik enerjisinden meydana gelir. Mutlak sıfırdan büyük olan tüm maddeler birbiriyle etkileşim içinde olan ve kinetik enerjisi olan parçacıklardan oluşur. Proton ve elektron gibi yüklenmiş parçacıklardan oluşan atomlar ve moleküller ve kinetik etkileşimi olan maddedeki parçacıklar, yük ivmelenmesi ve çiftkutup salınımı olarak sonuçlanır. Bu durum, elektrik ve manyetik alan çiftinin elektrodinamik üretim ve cismin yüzey sınırından yayılan ışınımın ve fotonun yayılması olarak sonuçlanır. Elektromanyetik ışınım, ışığı içinde barındırır yani maddenin sonsuz uzay boşluğunda hareket etmesi ve çoğalmasına ihtiyacı yoktur.

Isıl ışınımın karakteristik özelliği, Kirchhoff kanununda açıklandığı gibi, soğuruculuk tayfa bağlıdır.^[3] Işınım, tek renkli değildir, yani tek bir frekanstan oluşmaz sürekli foton dağılımından meydana gelir. Eğer ışınım yapan cisime onun yüzeyi termodinamik dengedeyse ve yüzeyi tüm dalga boylarında ideal bir soğuruculuğu varsa kara cisim olarak nitelendirilir. Kara cisim ideal bir yayıcıdır. Bu tür ideal yayıcılara kara cisim ışınımı olarak adlandırılır. Bir cismin yaymasının kara cismin yaymasına oranına yayıcılık denir. Cismin soğuruculuğu, yansıtıcılığı ve yayıcılığı dalga boyuna ve ışınıma bağlıdır. Elektromanyetik ışınımın dalga boyu dağılımını sıcaklık belirler. Mesela yeni yağmış bir kar, görülür ışığı çok fazla yansıtır. Güneş ışınlarını 0.5 mikrometre dalga boyuyla yansıttığı için beyaz görünür. Fakat yayıcılığı -5 °C de, 12 mikrometre dalga boyundadır. Kara cisim, değişen frekanstan dolayı sahip olduğu güç dağılımı Planck kanunu ile açıklanmıştır. Herhangi bir sıcaklıkta, yayılan maksimum güçte, frekans f_max dır. Wien’ in yer değiştirme kanununa göre, ışığın frekansı boşlukta dalga boyuna ters orantılıdır. Bu kara cismin mutlak sıcaklığının maksimum frekansa doğru orantılı olduğu anlamına geliyor. Güneşteki fotosfer(yaklaşık 6000 kelvin sıcaklığında) insan gözüyle görülebilecek elektromanyetik tayf ışınım yayar. Dünya atmosferi kısmen şeffaftır ve ışık yüzeye ulaşır, soğurulur ve yansıtılır. Dünya yüzeyi soğurulan ışınımı yayar ve 300 kelvin civarında ve uç f_max tayfta kara cisim gibi davranır. Bu düşük frekanslarda, atmosfer opaktır ve dünyadan geln ışınımlar atmosfer tarafından soğurulur. Bazı ışınımlar uzaya kaçsa da çoğu soğurulur ve daha sonradan atmosferdeki gazlarca tekrar yayılır. Bu sera etkisinden sorumlu atmosferin seçiçi tayfıdır ve bu küresel ısınmaya ve iklimlerin değişmesine neden olur. Çoğu daha uzun dalga boylarının fotonlarıyla ilişkili olan enerji türleri insanların görmesine yardımcı olmaz fakat çevreye ısı transferi olmasına neden olur. Her ne zaman EM ışınları yayılır ve daha sonra soğurulursa sıcaklık aktarılmış olur. Bu prensip mikro dalga fırınlarında kullanılmaktadır. İlekten ve konvektif ısı transfer biçimlerinin aksine, ısıl ışınımı ayna kullanarak küçük bir spotta yoğunlaştırılabilir. Yek-odaklı güneş enerjisi santralleri bu durumu avantaj olarak kullanır. Birçok sistemde güneş ışığı ayna kullanarak küçük alanlarda yoğunlaştırılır. Fresnel lenses bu durumu ısı akışını yoğunlaştırmak için kullanmıştır. Her iki kullanım da güneş ışığını kullanarak suyu hızlı bir şekilde buharlaştırmak için kullanılabilir.

Açık renkler, beyazlar ve metalik maddeler daha az aydınlatıcı ışıkları soğurur ve doğal olarak daha az ısıtır. Fakat aksi bir durumda renk küçük bir fark yapar ısı transferi açısından. Güneş ışığı hariç, elbiselerin rengi küçük bir fark yapar sıcaklık açısından Metalik yüzeyler hem görünülür dalga boyunda hem de kızıl ötesi ışınlarında düşük yayıcılığı vardır.

Isıl ışınımın karakterini belirleyen dört ana özellik vardır.

• Herhangi bir sıcaklıkta cisim tarafından yayılan ışınım geniş frekans dizisinden oluşur. İdeal yayıcı için frekans dağılımı kara cisim için Planck kanununda verilmiştir.
• Yayılmış ışınımın baskın frekans dizilimi, yayıcının sıcaklığı arttığı gibi daha yüksek frekanslara kayar. Mesela kırmızı sıcak cisim, görülebilir ışığın uzun dalga boyları ışınımı yapar. Eğer daha fazla ısıtılırsa, mavi ve yeşil ışık ışınımı yapmaya başlar ve görülebilir dizi boyunca frekans genişliği insanın gözüne beyaz olarak gösterir. Gözümüze beyaz gözüktüğü zaman yaklaşık 2000 k sıcaklığında olduğunda bile enerjisinin %99 u hala kızılötesidir. Bu Wien’in yer değiştirme kanununda belirtilmiştir.
• Tüm frekans değerlerinin toplam ışınımı sıcaklık arttıkça o da adım adım artar. T⁴ olarak artar. T dediğimiz sıcaklıktır. Mesela fırınla oda sıcaklığını karşılaştırdığımızda (600 kelvine 300 kelvin) birim alana etki eden ışınma da 2 üzeri 4 16 kat daha fazladır fırında. Bu artış oranı Stefan–Boltzmann kanununda açıklanmıştır.
• Herhangi bir frekansta yayılan elektromanyetik ışınma, kaynak tarafından ölçülmüş soğurma miktarıyla doğru orantılıdır. Bu prensip dalga konusunun bütün özelliklerine uygulanır, dalga boyu, polarizasyon ve yön konuları da dahil.

Isıl ışınım, ısı transferi mekanizmasının prensiplerinden birisidir. Bu, maddenin sıcaklığından dolayı olan elektromanyetik ışınım tayfının yayılımını gerektirir. Diğer mekanizmalar ise taşınım ve kondüksiyondur. Isıl ışınımla olmuş olan enerji etkileşimindeki değiş tokuş altta verilen denklemle gösterilir.

${\displaystyle \alpha +\rho +\tau =1.\,}$

Denklemdeki ${\displaystyle \alpha \,}$ soğurma tayf bileşeni, ${\displaystyle \rho \,}$ dediğimiz yansıma tayf bileşeni ve ${\displaystyle \tau \,}$ iletim tayf bileşeni. Bu elementler elektromanyetik ışınımın dalga boyu (${\displaystyle \lambda \,}$) fonksiyonudur. Cismin soğurumu, yayıcılığına eşittir ${\displaystyle \epsilon \,}$ . Kara cisim için tüm frekanslarda aşağıdaki denklem geçerlidir.

${\displaystyle \alpha =\epsilon =1.\,}$

Isıl ışınımdan dolayı insan önemli derecede enerjisini kaybeder. Fakat yayılan kızıl ötesi ışınlar nedeniyle kaybedilen enerji, cismin çevresinden kondüksiyon yöntemiyle sağlanan ısı akışı saoğurularak bir kısmı tekrar kazanılır. İnsan derisinin yayıcılığı 1.0’a yakındır.^[4] Aşağıdaki formülleri kullanarak insan, 2 metre karelik alanda sıcaklık yaklaşık 307 kelvinde, sürekli yaklaşık 1000 wattlık ışınım yapar. Fakat birkaç insan etrafı bir alanla çevrilmiş olsun ve sıcaklığı 296 kelvin olsun. İnsanlar duvardan, tavandan yaklaşık 900 watt enerji çekeceklerdir yani net kayıp 100 watt olacaktır. Bu ısı transferi konusu dış etkenlere fazlaca bağlıdır. Mesela giyilen elbiseler. Cisimler arası ısı transferi hesaplamasında Radiosity metodu kullanılır. Bu hesaplamalarda, bir yüzeyden çıkan ışınımların, diğer yüzeye çarpan ışınımların oranıdır. Bu hesaplamalar, güneş enerjisi santrali, kazan ve ışın izleme gibi teknolojik alanlar için önemlidir. Seçilen yüzey güneşten geleni kullanmak için yapılır. Mesela sera etkisinden beri çoğu çatlar camdan yapılmıştır. Cam şeffaftır. Bu nedenle ışınımı görünür dizine sokar yani bizim görmemize neden olur. Cisimden yayılan ışınım oda sıcaklığına yakın sıcaklıkta çıkmaz. Bu tuzak bizim ısı olarak hissettiğimiz şeydir. Bu sera etkisi olarak bilinir ve gündelik hayatta gözlemlenir mesela arabada, güneşte otururken. Seçici yüzeyler güneş ışığı toplayan cihazlarda kullanılır. Hesaplamalarla, güneş ışınımlarıyla ısıtılmış bir plakayla örtülmüş seçilmiş yüzeye ne kadar yardım ettiğini bulabiliriz. Eğer plaka, güneşten 1350 W/m² lik bir ışınım alıyorsa, sıcaklık çıkan ışınım gelen ışınıma eşit olacağından 393 kelvin olacaktır. Eğer plaka 0.9 yayıcılığı ve 2.0 µm dalga boyuna sahip, sıcaklık yaklaşık 1250 kelvin olacaktır. Bu hesaplamalar bulutlu bir hava ve konvektif ısı transferi gibi konuların ihmal edilmesiyle bulunmuştur.

Bir yüzeyden diğer yüzeye olan ısı transferi, ilk yüzeyden diğer yüzey giren ışınıma eşittir.

• Kara cisim için

${\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}}$

Buradan ${\displaystyle A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}}$ . Basitleştirirsek

${\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\rightarrow 2}(T_{1}^{4}-T_{2}^{4})\!}$

İki yüzeyin ısı transferi:

${\displaystyle {\dot {Q}}={\dfrac {\sigma (T_{1}^{4}-T_{2}^{4})}{{\dfrac {1-\epsilon _{1}}{A_{1}\epsilon _{1}}}+{\dfrac {1}{A_{1}F_{1\rightarrow 2}}}+{\dfrac {1-\epsilon _{2}}{A_{2}\epsilon _{2}}}}}}$

Kara cismin ısısal ışınım gücü, birim alanın, birim katı cisim açısının, birim frekansın Planck kanununda belirtildiği gibi;

${\displaystyle u(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}\cdot {\frac {1}{e^{h\nu /k_{B}T}-1}}}$

Ya da dalga boyu cinsinden;

${\displaystyle u(\lambda ,T)={\frac {\beta }{\lambda ^{5}}}\cdot {\frac {1}{e^{hc/k_{B}T\lambda }-1}}}$

${\displaystyle \beta }$ sabit bir sayıdır. Yukarıdaki denklemler olabilecek tüm frekansların integralinden türetilmiştir. ${\displaystyle E=h\nu }$ her bir fotonun enerjisi, uygun frekans sayısıyla çarpılarak elde edilir. Yukarıdaki ${\displaystyle \nu }$ nin integrali alındığında

${\displaystyle P=\sigma \cdot A\cdot T^{4}}$

${\displaystyle \sigma }$ sabit bir orantıdır ve ${\displaystyle A}$ ise ışınım yapan yüzey alanı. Yayıcılık yoğunluğu en yüksek olan için dalga boyu, Wien’in yer değiştirme kanununda da belirtildiği gibi;

${\displaystyle \lambda _{max}={\frac {b}{T}}}$

Kara cisim olmayanlar için yayıcılık faktörü ${\displaystyle \epsilon (\nu )}$ olarak düşünülmek zorundadır.

${\displaystyle P=\epsilon \cdot \sigma \cdot A\cdot T^{4}}$

Aşağıdaki grafik kara cismin yayıcılık gücünü sıcaklığa bağlı olarak değişimini Stefan-Boltzmann kanununa dayanarak göstermektedir.

• Kara cisim
• Yayıcılık (Salıcılık)
• Kızılötesi
• Termografi