Radiazione termica. q netto. θ superficiale. vuoto. θ solido

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1 04/04/03 θ superficiale Radiazione termica vuoto q netto θ solido Se θ solido > θ superficiale l energia termica scambiata q netto è diretta dal solido alla superficie dell involucro

2 04/04/03 Il meccanismo di emissione è correlato all energia rilasciata dall oscillazione o dalla transizione degli elettroni che costituiscono la materia. Il risultato è l emissione di energia. Questa propagazione viene descritta in termini di onde elettromagnetiche ossia di campi elettromagnetici in movimento anche con intensità variabile.

3 04/04/03 Il meccanismo di emissione di energia per radiazione è correlato all energia rilasciata quale risultato delle oscillazioni e delle transizioni orbitali degli elettroni costituenti la materia. La materia emette energia nelle sue forme diverse: per gas e solidi semitrasparenti, l emissione è un fenomeno volumetrico per liquidi e solidi, il fenomeno è superficiale ( mm) Il trasporto di energia a distanza ed in assenza di materia può essere spiegato tramite la propagazione di particelle (fotoni o quanti) o attraverso la propagazione di onde elettromagnetiche di frequenza ν, velocità c, lunghezza d onda λ. 3

4 04/04/03 λ ν c c velocità della luce [m/ s]; c 0, m/s (nel vuoto) ν frequenza [Hz] Modello corpuscolare della radiazione: energia associata ad un fotone e h ν h c / λ Legge di Planck h costante di Planck 6, J s 4

5 04/04/03 Spettro onde elettromagnetiche il visibile visibile (0,38 0,7) < 0,45 µm violetto 0,45 0,5 blu 0,50 0,57 verde Raggi γ ultra infrarossi 0,57 0,59 giallo violetto 0,59 0,6 arancio > 0,6µm rosso Raggi x Radiazioni termiche Microonde Radar, TV, radio λ [µ m] [Hz] 5

6 04/04/03 A seconda della temperatura il colore della fiamma cambia, ciò talvolta può facilitare il riconoscimento del combustibile Questo concetto può essere riassunto nella tabella sottostante, usata dai Vigili del Fuoco. Colore Temperatura [ C] Amaranto pallido 480 Amaranto 55 Rosso sangue 585 Rosso scuro 635 Rosso 675 Rosso chiaro 740 Rosso pallido 845 Rosa 900 Arancione 940 Giallo 995 Giallo pallido 080 Bianco 05 Azzurro 400 6

7 04/04/03 La Termografia: è una tecnica che consente di rilevare la temperatura superficiale dei corpi analizzati attraverso la misurazione dell intensità di radiazione infrarossa emessa dal corpo in esame utilizzando una termocamera. Le immagini termografiche permettono di visualizzare i flussi di calore uscenti dagli edifici riscaldati, in condizioni di differenze fra la temperatura interna e la temperatura esterna di almeno 0 C. I colori indicano le temperature delle varie parti dell edificio. Accanto ad ogni immagine vi è l indicazione delle temperature, rappresentate attraverso una scala cromatica che va dal blu (parti più fredde) al bianco (parti più calde). Applicazioni: - Edilizia e Certificazione energetica - Restauro e dignostica - Elettrico / Elettronica - Industria: controllo/qualità processo e corretto funzionamento macchinari - 7

8 04/04/03 Analisi Termografia di due edifici: A -Edifico A costruito precedentemente al 99 (Legge 9 gennaio 99, n. 0) -Edificio B costruito successivamente al 005 (Decreto Legislativo 9 agosto 005, n. 99) B 8

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10 04/04/03 Altre radiazioni La fissione nucleare produce raggi γ Per essere utilizzata la reazione deve automantenersi a catena solo se si usano i tre elementi fissili: 9U 33 9U 35 94Pu 39 9Th 3 fertili 9U 38 Esempio γ neutrone U 38 U 39 Np 39 Pu 39 β β 0

11 04/04/03 energia incidente G L energia incidente energia riflessa G riflessa energia assorbita G assorbita G trasmessa energia trasmessa a G assorbita / G G G riflessa G assorbita G trasmessa r a t r G riflessa / G t G trasmessa / G

12 04/04/03 L energia emessa normale n direzione di emissione θ da n da P dω ϕ direzione di riferimento azimutale E emissione globale [W/m ]

13 04/04/03 intensità di radiazione monocromatica, i (θ, φ,λ), [W/ (m sr µm)] la potenza radiante emessa alla lunghezza d onda λ nella direzione (θ, φ) per unità di area emittente normale alla direzione considerata per unità di angolo solido dω e per unità di intervallo dλ di lunghezza d onda attorno al valore λ considerato i ( λ, θ, φ) d Q& da cos θ dω dλ n θ da dacosθ 3

14 04/04/03 emissione monocromatica emisferica, e(λ), [W/ (m µm)] È la potenza emessa per unità di area (si noti bene: ora l area è da) per intervallo di lunghezza d onda dl attorno al valore λ considerato. Considerando come tale grandezza possa essere calcolata dalla conoscenza della grandezza i (λ,θ,φ) grazie ad una integrazione estesa al semispazio Ω (semisfera) verso cui la superficie da considerata emette, si ottiene la relazione: e ( λ) i( λ, θ, Φ) Ω L emissione globale E risulta: dω E 0 ( Ω i Φ ) dω dλ ( λ, θ, ) 0 e ( λ) dλ 4

15 04/04/03 intensità di irradiazione monocromatica g (λ,θ,φ) [W/(m sr µm)] la potenza radiante incidente alla lunghezza d onda λ nella direzione (θ, φ) per unità di area normale alla direzione considerata, per unità di angolo solido e per unità di intervallo dl di lunghezza d onda attorno al valore λ considerato. g ( λ, θ, Φ) d Q& da cosθ dω dλ irradiazione monocromatica emisferica G(λ) [W/(m µm)] G ( λ) g( λ, θ, Φ) Ω dω irradiazione totale G [W/ (m )] G ( 0 Ω g Φ ) dω dλ ( λ, θ, ) 0 G ( λ) dλ 5

16 04/04/03 La radiosità È l insieme della potenza termica radiante che lascia una superficie ossia l insieme della radiazione emessa e di quella riflessa dalla superficie considerata. Radiosità monocromatica direzionale [W/(m sr µm)] d Q& b( λ, θ, Φ) da cos θ d ω d λ Radiosità monocromatica globale [W/(m µm)] B λ b( λ, θ, Φ) Ω dω B Radiosità globale [W/(m )] G r G E B ( 0 Ω b Φ ) dω dλ ( λ, θ, ) 0 B ( λ) dλ T 6

17 04/04/03 Corpo nero a) assorbe tutta la radiazione che incide su di esso a qualsiasi lunghezza d onda, e da qualsiasi direzione (a ); b) fissate temperatura e lunghezza d onda, emette più energia di ogni altro corpo; c) emette in modo uniforme in ogni direzione (legge di Lambert). 7

18 04/04/03 Legge di Planck i ( ϑ, ϕ, λ,n) λ 5 h c 0 h [exp ( c0 ) ] λ k T h costante di Planck 6, J s; k costante di Boltzmann, J/K; c 0 velocità della luce nel vuoto, m/s π h c0 eλ, n 5 λ h c0 [exp( ) ] λ k T 9 8 Campo del visibile 500 K 000 K Legge di Wien λ* T 897,8 µm K Legge di Stefan Boltzmann E σ T 4 σ 5, [W/(m K 4 )] Emissione monocromatica del corpo nero (eλ)n [W/m 3 ] K 000 K 750 K Lunghezza d onda λ [µm] 8

19 04/04/03 Legge di Wien λ* T 897,8 µm K Assumiamo di modellare il sole come un corpo nero a T 576 K per la legge di Wien abbiamo: λ max * [µm K ] λ max 0,50 µm al centro della fascia del visibile Consideriamo un corpo a temperatura prossima a quella di un ambiente interno a T 95 K l max * [mm K ] λ max 9,8 µm nella fascia dell infrarosso 9

20 04/04/03 Le superfici reali Le superfici reali dal punto di vista radiativo presentano un comportamento diverso da quello del corpo nero. Una superficie reale presenta un coefficiente di assorbimento minore dell unità e variabile con la frequenza. Dal punto di vista spaziale l emissione e la riflessione dipendono dalla direzione della radiazione. Una superficie reale presenta una emissione monocromatica e una emissione globale che non rispondono alle leggi di Planck e Stefan- Boltzmann. Si introduce la grandezza emissività, ε, definita come il rapporto tra l emissione globale del corpo considerato, E, e quella del corpo nero, En, alla stessa temperatura: ε E E n 0

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22 04/04/03 Legge di Kirchhoff ε λ,θ,φ a λ,θ,φ valida per tutte le superfici Per irradiazione diffusa (o per superfici a comportamento diffuso) ε λ a λ

23 04/04/03 Corpo grigio Se si assume un comportamento indipendente dalla direzione e, almeno in bande limitate dello spettro elettromagnetico, dalla lunghezza d onda, è possibile definire un modello di riferimento costituito da una superficie con proprietà radiative indipendenti dalla lunghezza d onda in tutto lo spettro elettromagnetico. Tale superficie viene definita superficie grigia, e per essa valgono le relazioni: ε λ ε costante < a λ a costante < E λ x 0-5 W/m - µm 4,0 3,0,0 T 000 K ε,0 (superficie nera) ε < (superficie grigia) superficie reale Per superfici grigie,0 a ε 0,0,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Lunghezza d onda, µm 3

24 04/04/03 Considerate le superfici i e j che si scambiano calore per radiazione e che emettano e riflettano la radiazione in modo perfettamente diffuso, il fattore di vista, F i j, tra una superficie i ed una superficie j è la frazione di energia emessa da i che incide direttamente su j, ossia il rapporto tra l energia partita da i che incide direttamente su j, E i j e la totale energia emessa da i, E i. E i,j E i j i F i j E i j E i a Ammettendo che le due superfici abbiano la stessa temperatura, e quindi il flusso scambiato sia nullo si ottiene la cosiddetta relazione di reciprocità: F i j A i F j i A j b Dal principio di conservazione dell energia, si ottiene che la somma dei fattori di vista di una superficie verso tutte le N superfici superfici che essa vede è pari all unità: N F i j j 4

25 04/04/03 F i j A i A i A j cosϑ i π cosθ R j n i θ j θ i R n j da i 5

26 04/04/03 6 Potenza termica scambiata tra superfici nere: q A F σ (T 4 T 4 ) Potenza termica scambiata tra superfici grigie 4 4,, ) ( T T E E q n n ε ε σ ε ε A F A A A F A A ε ε ε ε ) ( ) ( T T T T F R t σ ε ε ε ε Se A A è possibile, nel definire il flusso termico nella forma q θ /R t individuare la resistenza termica

27 04/04/03 Nel caso in cui A A A ε ε ε F q σ A ε ( T 4 ε T 4 ) è il caso di due superfici affacciate Se A <<A F q σ A ε ( T T 4 4 ) è il caso di una superficie che emette in un ambiente molto grande Il calore scambiato per radiazione è tanto più piccolo (a parità dei valori delle temperature superficiali) quanto minore è il valore del coefficiente di emissione superficiale (o dell assorbimento) 7

28 04/04/03 Materiale Emissività normale Oro lucidato 0,08 Rame lucidato 0,03 ossidato 0,78 Alluminio 0,039 Argilla cotta 0,9 Intonaco, mattoni 0,93 Vetro 0,94 Acqua, ghiaccio 0,966 Cartone bitumato 0,93 Legno 0,935 8

29 04/04/03 Spessore totale 0,007 m 9

30 04/04/03 30 ) T (T h A F A A ) T )(T T (T ) T (T A F A A ) T )(T T (T q r ε ε ε ε σ ε ε ε ε σ Linearizzazione dello scambio termico per radiazione se A <<A e F ) ( h ) T (T h q ] ) ( [73,5 4 ) T )(T T (T ] ) ( [73,5 4 oppureh A F A A ] ) ( [73,5 4 h r r 3 3 r 3 r θ θ θ θ θ θ ε σ ε ε ε ε θ θ σ se A <<A e F

31 04/04/03 Il sole 3

32 04/04/03 3

33 04/04/03 Il sole Le radiazioni elettromagnetiche che giungono sulla superficie terrestre, filtrante durante l'attraversamento dell'atmosfera, si possono così suddividere: 50% RADIAZIONI INFRAROSSE ( nm) 40% SPETTRO VISIBILE ( nm) 0% RADIAZIONI ULTRAVIOLETTE ( nm) 33

34 04/04/03 UV e ozono UV-C: nm Sterilizzazione UV-B: nm Eritema cutaneo UV-A: nm Pigmentazione cutanea A causa dell'atomo "in più" l'ozono è una specie estremamente reattiva: l'ozono in stratosfera interagisce con la luce solare, assorbe la radiazione UV-B ed UV-C e svolge una funzione fondamentale di schermo nei confronti delle radiazioni nocive per la pelle; l'ozono in troposfera, invece, se in eccesso risulta tossico ed irritante per molte piante ed animali ed è in grado di danneggiare materiali plastici 34

35 04/04/03 Raggi infrarossi Nome banda Limite superiore Limite inferiore Standard DIN/ CIE IR-A 700nm 400 nm IR-B,4 µm 3 µm IR-C 3 µm 000 mm Classificazione astronomica Vicino nm 5 µm medio 5 µm 5-40 µm lontano 5-40 µm µm Sistema ingegneristico vicino (NIR) 750 nm 400 nm onda corta (SWIR),4 µm 3 µm onda media (MWIR) 3 µm 8 µm onda lunga (LWIR) 8 µm 5 µm lontano (FIR) 5 µm 000 µm 35

36 04/04/03 L assorbimento dei gas atmosferici 36

37 04/04/03 L energia sulla terra 37

38 04/04/03 L energia sulla terra Bilancio medio globale atmosfera W/m Ass. Ass. superficie Emiss.superficie Emiss. verso lo spazio bassa λ alta λ alta λ alta λ 38

39 04/04/03 L effetto serra Alcuni gas riflettono l energia solare all interno dell atmosfera (CO, CH 4, N O, HFC, SF 6, aerosol ). La temperatura media del nostro pianeta dovrebbe essere di 8 C: invece è di 5 C L atmosfera è quasi opaca per l energia irradiata oltre i 0 mm (ovvero quella ri-emessa dalla superficie terrestre) e quasi trasparente al di sotto dei 5 mm. 39

40 04/04/03 Il riscaldamento globale 40