إشعاع حراري

Hot metalwork from a blacksmith. The yellow-orange glow is the visible part of the thermal radiation emitted due to the high temperature. Everything else in the picture is glowing with thermal radiation as well, but less brightly and at longer wavelengths that the human eye cannot see. A far-infrared camera will show this radiation (See Thermography).

الإشعاع الحراري او الانبعاث الحراري (بالإنگليزية: heat radiation)، هو إشعاع كهرومغناطيسي يصدر من سطح جسم ما ويعتمد بالأساس على درجة حرارة ذلك الجسم. ومن الأمثلة الشائعة للانبعاث الحراري الأشعة تحت الحمراء أو المدفأة الكهربية ، والضوء المنبعث من المصباح الكهربي. وينتج الإشعاع الحراري عندما تتحول حركة الجسيمات المشحونة للذرات إلى أشعة كهرومغناطيسية. ويعتمد تردد الموجة المنبعثة عن الاشعاع الحراي على درجة الحرارة فقط ، وبالنسبة للجسم الأسود يمكن أن قياس الإنبعاث الحراري الخاص به عن طريق قانون پلانك للانبعاث. ويعتبر قانون ڤين هو القانون الشائع لقياس الانبعاث الحراري ، و قانون ستفان و بولتسمان يستخدم لقياس كثافة الحرارة.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

خصائص

تقع ظاهرة الإشعاع الحراري في الطبيعة اِعتيادياً في البَوْن التالي من الترددات أي في القسم التالي من الطيف الكهرومغناطيسي :


أي :


معنى ذلك أنها في أغلبيتها تقع في قسم أشعة التحت الحمراء وقليل منها تقع في قسم أشعة غـُـلُو البنفسجي.


قانون پلانك

توصل العالم الألماني ماكس پلانك (Max Planck) عام 1900 م من خلال دراسته لإشعاع الجسم الأسود إلى العلاقة الآتية بين الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود (باعتباره معيارا للإشعاع ) ودرجة حرارته إلى العلاقة:

(1)

حيث:

  • التعبير يمثل قدرة الإشعاع الذي يـُبـَثّ من العنصر المساحي في مجال التردد بين و عبر عنصر الزاوية المجسـّمة باِتـّـجاهه. في ذلك الاِرتباط يـُحقـّق عنصر الزاوية المجسـّمة بالاِمتداد بين الزاويتين و والزاويتين و . وتظهر في الصيغة كمّيـّات مختلفة بما فيها:
  • إشعاعية طيفية (spectral radiance) (W·sr−1·m−2·Hz−1);
  • هي الزاوية بين العمودي على السطح والإتجاه المعين (polar angle);
  • هي زاوية السّـُمـُوْت (azimuth angle) ، وهي تقع وتـُـقاس في مرتبة أفقية;
  • هي مساحة سطح الإشعاع (m2);

يجب أن يُضاف أن في النموذج المثالي (ideal model) عن الجسم الأسود يُعتمد على التصور أن الأشعة التي تـُبثّ منه ، تـُبثّ من فتحة صغيرة من نوع نهاية الصّـُـغر تتوزّع من نقطة مركزية على مرتبة أُفقية بطريقة كروية إلى الفضاء – بينما نصف كرة تكن واردة فقط لأنّ ما يحدث على الجهة الأخرى من المرتبة الأفقية لا يلعب دور ، فالاِنـْظِمَالات (calculations) المثالية تنطلق من فضاء نصفي فقط – إن حدث بث من خلال الجسم الأسود ، وإن ضربت الأشعة على الجسم الأسود أي إن كان مـُعـَـرَّض للإشعاع فإنها تلتحق مركزياً في نقطة تحتوي فتحة من نوع نهاية الصّـُـغر والطاقة التي تدخله تـُمتصّ تماماً ، وذلك التفكير يعتبر إمثال (idealization) لاِكتساب الصيغ البسيطة ولتوفير أساس مبدئي فكري أوّلاً ، ولاِشتقاق القضايا الغير مثالية لاحقاً عبر التطويرات منها. وذلك هو أحد الأسباب لاِستعمال الإحداثيات الكروية هنا. فالزاويتان و تمثلان إحداثيَيـْن كرويَيـْن مثلاً ، والحرف يعتبر إحداثي كروي آخر.

طيف الشمس المأخوذ بالقمر الصناعي (أصفر) و على الأرض (أحمر) بالمقارنة بطيف الجسم الأسود. ينطبق طيف القمر الصناعي مع النظرية. ويتخلل طيف الشمس المأخوذ على الأرض بعض الفجوات الناتجة عن امتصاص جو الأرض لبعض ترددات الاشعة.

وبينما يبين الشكل الجانبي الطيف الحراري عند درجة حرارة 2.7 كلفن للفضاء الكوني، يبين الشكل المقابل (الإيطالي) طيف الشمس الذي التقطه أحد الأقمار الصناعية (باللون الأصفر) وهو ينطبق انطباقا جيدا على منحني بلانك من أول الطيف إلى آخره، وكلاهما يبين قمة للإشعاع بين موجة طولها 750 نانومتر ونحو 370 نانومتر، وهذا هو حيز الضوء المرئي. وتجري المقارنة في نفس الوقت بطيف الشمس الملتقط على سطح الأرض (باللون الأحمر)، ولايزال التطابق جيدا بينهم مع الفارق أن طيف الأرض يتعرض عند بعض أطوال موجة أشعته للامتصاص في جو الأرض، الشيئ الذي يترك فيه بعض الفجوات وهي ناشئة في معظمها عن امتصاص بخار الجو لتلك الأشعة. كما نلاحظ أن الطيف الحراري للشمس ينتهي تقريبا عند طول موجة قدرها نحو 170 نانومنتر وهو تقريبا نهاية الأشعة فوق البنفسجية .

كما نرى حقيقة أن الشكل العام للطيف لا يختلف بين حالة الفضاء الكوني وحالة الإشعاع الشمسي، كل ما في الأمر هو أن النهاية العظمى للمنحني عند طول الموجة تنزاح بارتفاع درجة الحرارة في إتجاه الموجة القصيرة .

من خلال تلك الدراسة توصل (بلانك) عام 1900 إلى الثابت الطبيعي h المسمى بإسمه، وهو يعطي العلاقة بين طاقة الشعاع الكهرومغناطيسي E وطول موجته

(2)

حيث ثابتة بلانك و c سرعة الضوء في الفراغ .

وبما أن العلاقة بين سرعة الضوء وطول الموجة تعطينا تردد الموجة حسب المعادلة:

تردد الموجة = سرعة الضوء \ طول الموجة

(3)

يمكن كتابة العلاقة أعلاه، كعلاقة بين تردد الموجة بوحدته هرتز وطاقة الإشعاع:

(4)

ويمكن حساب الطاقة بعدة وحدات مثل جول (J) أو إرج (erg) أو إلكترون فولت (eV).

تبين بذلك أن الطاقة لها وحدة كثابت طبيعي لا ينقسم. وكان ذلك طفرة كبرى في عالم الفيزياء، و فهم جديد أوسع لطبيعة الكون. وفتحت الطريق عام 1900 لنظرية الكم على أساس صيغة ، نظرية التى استطاعت في الأعوام 1923 - 1930 تفسير تركيب الذرة وتوزيع الإلكترونات فيها، ولا زالت ميكانيكا الكم المبنية على نظرية الكم لماكس پلانك تـُحـَقـِّق نجاحات كبيرة في عالم الفزياء حتى اليوم. والمعضلة التي لا زالت تحير العلماء هو الربط بين ميكانيكا الكم وظاهرة الجاذبية في نظرية موحدة. فميكانيكا الكم تصف بوضوح كامل عالم الذرة و الجزيئات والأجسام دون الذرة، والجاذبية الكـُتلية تحكم حركة الأجرام الكبيرة مثل الشمس و القمر والأرض. [1]

ومن الإمكان أن يُعبَّر قانون پلانك بحرف الـ ،
وعلى أساس

(5)

يظهر ورود الصيغتين التاليتين أكثر اِستيعاباًً ‍:

أي :

(6a+b)

وهذه العلاقة الأخيرة عليها أن تُتـّخذ في عين الاعتبار عند تعويض في صيغة پلانك الفوقية من هذا القسم.
فالقانون تبع پلانك يتـّـخذ الشكل التالي :

(7)

وتظهر في الصيغة كمّيـّات مختلفة بما فيها:

  • إشعاعية طيفية (spectral radiance) (W·sr−1·m−2·nm−1);
  • هي الزاوية بين العمودي على السطح والإتجاه المعين (polar angle);
  • هي زاوية السّـُمـُوْت (azimuth angle) ، وهي تقع وتـُـقاس في مرتبة أفقية;
  • هي مساحة سطح الإشعاع (m2);


تمهيد الطريق لقانون ستفان و بولتسمان

لإيجاد قدرة الإشعاع يجب القيام باِستعمال العلاقة التالية :

(8)

حيث

  • هو الإشعاعية (radiance) (W·m-2·sr-1) ،
  • هي الزاوية بين العمودي على السطح والإتجاه المعين (polar angle);
  • هي زاوية السّـُمـُوْت (azimuth angle) ، وهي تقع وتـُـقاس في مرتبة أفقية;

التكامل يؤدّي إلى :

(9)

حيث يظهر ورود

(10)

حيث أن عموماً يتعلق بمساحة سطح الإشعاع وهذه لعلّها تتعلق بأي اتـّجاه ما في الفضاء وبأي متغيرات كروية أو غير كروية ، فمن الإمكان أن المُتـَكـَامـِلَة (integral) تتـّخذ شكل معقـّد. أمـّا إذا بـَقِيَت خاصيّات السطح ثابتة (if the properties of the suface stay constant) بمعنى أنّ الإشعاعية تكن مستقلة عن اتـّجاهات الفضاء بمعنى أنه لا يوجد توزيع غير متناحي (that there will be no anisotropic distribution) من الإشعاع على السطح ، وفي هذه الحالة يـُـسمـّى المـُـشـِـعّ «مـُـشـِـعّ متابع قواعد لامبرت» (Lambertian radiator) ، فذلك يمهّد الطريق للسماح بأنّ يـُـشـَـدّ وأيضاً أمام المُتـَكـَامـِلَة :

(11)
عندئذ ٍ المتغيرات من ، و هذه هي الإحداثيات الكروية و و ، بالإضافة إلى المتغير كـُلـّها تصبح تنتمي إلى حـُجـّة المُتـَكـَامـِلَات الفرعية (they all evolve to belong to the argument of the subintegrals) ولا تبقى في حـُجـّة في هذه الحالة ، فيبقى في حـُجـّة فقط.

وبذلك التكامل من من معادلة رقم (1) أصبح جاهز للتنفيذ :

(12)

والحصول على الجانب اليميني من معادلة (12) يأتي من إيجاد مُتـَكـَامـِلَة فرعية (subintegral) كما يلي :

اِنـْظِمَال فرعي (subsidiary calculus):



وعلى أساس التعويض التالي يصير :





والمُتـَكـَامـِلَة في النهاية تؤدي إلى استعمال دالة ، والمقصود هنا دالة تـْسـِتا تبع ريمان (zeta function of Riemann) :

وبخاصة :


وينتهي هنا الاِنـْظِمَال الفرعي.


الآن أصبح الطريق ممهد لتكملة ما تم الحصول عليه بالمعادلتين (11) و (12) :

(13)

وإذا اِفترضنا أن نقوم بالتكامل على نصف كرة واحدية () ، فسوف يصير على أساس معادلة (11) :


(14)

معنى ذلك أنّ على أساس معادلة (13) التدفّق الإشعاعي من المـُـشـِـعّ الذي يؤخذ من معادلة (14) والمتابع لقواعد لامبرت يتـّخذ الشكل

(15)

بما في ذلك الثابت
حيث



والمعادلة رقم (15) تعتبر «قانون ستفان و بولتسمان» ، والثابت هو أيضاً مسمـّى بـاِسمهما.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

قانون الإزاحة تبع ڤين

This diagram shows how the peak wavelength and total radiated amount vary with temperature. Although this plot shows relatively high temperatures, the same relationships hold true for any temperature down to absolute zero. Visible light is between 380 to 750 nm.
Metapedian Puzzle.png رجاءً وسّع هذا القسم.
المزيد من المعلومات قد تكون موجودة في صفحة النقاش أو في طلبات التوسيع.
رجاءً أزل هذه الرسالة عندما يتم توسيع القسم.

بعض الكميات الفيزيائية المساعدة

Radiant heat panel for testing precisely quantified energy exposures at National Research Council, near Ottawa, Ontario, كندا.

الثوابت

يوضح الجدول التالي تعريف الثوابت في المعادلات الخاصة بالإشعاع الحراري:

ثابت پلانك
ثابت ڤين للإزاحة
ثابت بولتسمان
ثابت ستفان و بولتسمان
سرعة الضوء

المتغيرات

يوضح الجدول التالي تعريف المتغيرات، ومثال على القيم:

درجة الحرارة درجة الحرارة السطحية المتوسطة على الأرض =
مساحة سطحية Acuboid = 2ab + 2bc + 2ac;
Acylinder = 2π·r(h + r);
Asphere = 4π·r2


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

مواجهة «تأثير بيت الدفيئة»

يساعد ثنائي أكسيد الكربون وبخار الماء على أن الأرض تبقى دافئة بمعدّل الإحصاء ، حيث يمنعان جزءًا من حرارة سطح الأرض التي تكتسبها من أشعة الشمس من التسرب عن غلاف الأرض الجوي إلى الفضاء. ويُعرف هذا السلوك من قِبـَل الغازات بـتأثير بيت الدفيئة (greenhouse effect)، (عمليّة الاحتباس الحراري).

الأمم المتحدة

في 2007 أصدرت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بدراسة تغيرات المناخ تقريرا يفيد بإمكانية تقليل غازات الانبعاث الحراري على مدى العقود المقبلة عن طريق اتباع سياسات للاستخدام الأمثل للطاقة وابتكار تكنولوجيات جديدة. وقال ريتشارد كينلي نائب الأمين التنفيذي لأمانة الأمم المتحدة المعنية بتغيرات المناخ إن التقرير يستعرض الحلول التي يمكن اتباعها في الوقت الحاضر، وأضاف في حوار مع تليفزيون الأمم المتحدة: "لم يتم حل تلك المشاكل بعد ولكننا حددنا الحلول فيمكن فعل الكثير سواء على صعيد استحداث سياسات جديدة أو التحرك بشكل أكبر لتطبيق تكنولوجيات حالية للاستخدام الأمثل للطاقة وترشيد استهلاكها، ولكن تلك التكنولوجيات وحدها ليست كافية إذ يتعين استحداث طرق أخرى للسيطرة على انبعاث غازات الاحتباس الحراري." وأضاف كينلي أن حجم المشاكل الناجمة عن آثار التغيرات المناخية يتطلب وضع إطار عمل دولي شامل لمواجهتها وللسيطرة عليها. [2]

الاتحاد الاوروپي

توصل قادة الاتحاد الاوروپي في اجتماع عقد في بروكسل في ديسمبر 2008 ، إلى اتفاق طموح بشأن ظاهرة ارتفاع درجة حرارة الأرض ومواجهة التغيرات المناخية.

ونجحت فرنسا - في انتزاع موافقة كل الأعضاء على خطة العمل الأوروبية لمواجهة الانحباس الحراري ، حيث اتفق الرؤساء على خفض الانبعاثات الغازية المسببة للانحباس الحراري بنسبة 20% بحلول عام 2020.

ووفق التعديل فإن الإصلاحات المقترحة ستتقاسم كلفة تطبيقها كل الدول حسب قوتها الاقتصادية، وهو ما يعني إعفاء بعض الدول من صرامة الإجراءات كبولندا، لتمكينها من دعم قطاع الكهرباء الذي سيتأثر بفعل هذه الإجراءات.

وطالب الرئيس الفرنسي بعدم اتخاذ الأزمة المالية ذريعة لعدم التحرك في مجال البيئة، فيما أشاد رئيس المفوضية الأوروبية خوسيه مانويل باروسو بالاتفاق، مشيرا إلى أنه يدل على أن الدول الـ27 المشكلة للاتحاد كانت جادة في التصدي لظاهرة الانحباس الحراري.

لكن جماعات حماية البيئة وجهت انتقادات لاذعة لخطة الاتحاد الأوروبي قائلة إنها تشوبها تنازلات لبولندا من أجل تخفيف وقع الصدمة على محطاتها لتوليد الكهرباء من الحقبة السوفياتية التي تعمل بالفحم والشديدة التلويث للبيئة وأيضا للصناعة في ألمانيا أكبر اقتصاد في أوروبا. [3]

انظر أيضا

مراجع

وصلات خارجية