انتقال الحرارة: الإشعاع

كلنا نعلم أن الشمس تدفأ الأرض، وأنها في الحقيقة مصدرنا الأساسي للحرارة. ويمكننا أن نرى بسهولة أن الحرارة التي تصل إلينا من الشمس لا تنتقل إلينا بالتوصيل أو الحمل، لأن الفراغ الهائل بيننا وبين الشمس لا يحتوي على أية جزيئات تقريباً.

وبناء على ذلك فإن الانتقال الاهتزازي بالتوصيل أو الانتقال الدوراني بالحمل يصبحان مستحيلين. ومن ثم فإن هذه الحالة هي الحالة انتقال للحرارة خلال الفراغ ، أي خلال الفضاء الخالي. هذه الطريقة لانتقال الحرارة تسمى الإشعاع.

سوف نرى للكهرباء والمغناطيسية أن الإشعاع طاقة في صورة موجبات كهرومغناطيسية تنتقل في الفراغ بسرعة الضوء. هذا وينبعث الإشعاع من جميع الأجسام، ولكن فإن الإشعاع يكون إشعاعاً تحت أحمر عند درجات الحرارة العادية. كذلك فإن الإشعاع دون الأحمر يمتص امتصاصاً شديداً بواسطة جزيئات الماء، بما في ذلك الجزيئات الموجودة في  خلايا الجسم. فمثلاً، عندما يجس الإنسان بالدفئ عند تعرضه للإشعاع دون الأحمر المنبعث من سخان كهربائي، فإن ذلك يحدث  نتيجة لتحول هذا الإشعاع إلى حرارة عند امتصاصه في الجسم. وبالرغم من أن الإشعاع دون الأحمر يسمى أحياناً بالإشعاع الحراري، فإن من الخطأ اعتبار أن الإشعاع دون الأحمر حرارة إلا بعد تحول الطاقة إلى حرارة في عملية امتصاص كالسابق الإشارة إليها.

يعتمد معدل انبعاث الطاقة الإشعاعية من الأجسام اعتماداً شديداً على درجة حرارتها، كما يعتمد أيضاً على مساحة سطح الجسم المشع وطبيعة هذا السطح. هذا ما يلخصه أحد مبادئ الفيزياء المعروف باسم قانون ستيفان. وطبقاً لهذا القانون تعطي الطاقة الإشعاعية المنبعثة ، الجسم لكل ثانية بالعلاقة:

حيث A المساحة السطحية للجسم، T درجة حرارته المطلقة. ويعرف الثابت a بثابت ستيفان بولتزمان، وقيمته العددية كالتالي:

أما المعامل e فيسمى ابتعاثية الجسم ، وتتراوح قيمته بين 0 و 1. هذا وتتوقف قيمة e على طبيعة السطح المشع؛ فإذا كان السطح داكناً خشناً فإن ابتعاثيته  تكون قريبة من 1، بينما تقترب قيمة e من الصفر عندما يكون السطح ناعاً لامعاً. ففي حالة النحاس المصقول مثلاً فإن e تساوي حوال 0.3. وإذا كانت e = 1.00 يقال أن الجسم منبعث "مثالي"، وهذا ما يعرف عادة بالجسم الأسود. وكقاعدة عامة يمكن القول أن المبتعثات الجيدة ممتصات جيدة.

هذه النقطة الأخيرة تمكننا من مناقشة صافي امتصاص أو فقد الطاقة الإشعاعية بين جسم والوسط المحيط به، فإذا وضع جسم في وسط محيط درجة حرارته T_s فإنه سوف يمتص الطاقة الإشعاعية بعدل قدره:

وإذا كانت درجة حرارة الجسم T، فإنه سوف يبتعث الطاقة في نفس الوقت بمعدل قدره:

وعليه ، فإن معدل امتصاص الجسم للطاقة أو فقده لها يساوي الفرق بين Q/ΔT)_abs) و Q/ΔT)_emit):