තාප විකිරණය

කම්මල්කරුවෙකු නිර්මාණය කරන ලද උණුසුම් ලෝහ උපාංග ඒවායේ කහ තැඹිලි දිලිසුමට හේතුව අධික උෂ්ණත්වය නිසා ඒවා මඟින් විමෝචනය වන තාප විකිරණ වේ. රූපයේ ඇති අනෙක් වස්තූන් ද තාප විකිරණය පිට වීම නිසා දිලිසෙන නමුත් ඒවායේ දීප්තිය වඩාත් අඩු අතර ඒවා නිකුත් කරන විකිරණවල තරංග ආයාමයට මිනිස් ඇසට සංවේදී නොවේ. අධෝරක්ත කැමරාවක් භාවිතයෙන් මෙම විකිරණය හඳුනාගත හැක. (“උෂ්ණත්ව රේඛනය” බලන්න)

තාප විකිරණ යනු වස්තුවක උෂ්ණත්වය නිසා එහි පෘෂ්ටයෙන් විමෝචනය වන විද්‍යුත් චුම්භක විකිරණ වේ. ගෘහස්ත විකිරකයක් හෝ විද්‍යුත් තාපකයක් මඟින් විමෝචනය කරන අධෝරක්ත විකිරණ මෙන්ම තාපදීප්ත විදුලි බුබුලක් මඟින් නිකුත් කරන ආලෝකය ද තාප විකිරණ සඳහා උදාහරණ වේ. පරමාණු තුළ ඇති ආරෝපිත අංශු චලිතය නිසා හටගන්නා ශක්තිය විද්‍යුත් චුම්භක තරංග ලෙස විමෝචනය වීමෙන් තාප විකිරණ හටගනී. තාප විකිරණ විමෝචනය වන සංඛ්‍යාතය උෂ්ණත්වය මත පමණක් රඳා පවතින සම්භාවිතා ව්‍යාප්තියක් වන අතර , කෘෂ්ණ වස්තුවක් සඳහා මෙය ප්ලාන්ක් විකිරණ නියමය මඟින් දෙනු ලැබේ. වීන් නියමය මඟින් විමෝචිත විකිරණවලට තිබීමට වඩාත් ඉඩ ඇති සංඛ්‍යාතය ලබා දෙන අතර ස්ටෙෆාන් බෝල්ට්ස්මාන් නියමයෙන් තාප අගයය ලබා ‍ෙද්.

ගුණාංග

තාප විකිරණයට ලාක්ෂණික වන මූලික ගුණාංග තුනකි.

• තනි උෂ්ණත්වයක දි පවා පුළුල් සංඛ්‍යාත පරාසයකින් තාප විකිරණ විමෝචනය සිදුවේ. එක් එක් සංඛ්‍යාතයෙන් විමෝචනය වන ප්‍රමාණය ප්ලාන්ක් විකිරණ නියමය මඟින් ලැබේ. (පරිපූර්ණ වස්තු සඳහා) දකුණු පස රූප සටහනේ වක්‍ර මඟින් මෙය දැක්වේ.
• උෂ්ණත්වය වැඩිවන විට විමෝචනය වන විකිරණයේ මූලික සංඛ්‍යාතය ද (වර්ණය) වැඩි වේ. උදාහරණයක් ලෙස රක්ත තප්ත වස්තුවක් දෘෂ්‍ය වර්ණාවලියට අයත් දිගු තරංග ආයාම කලාපයේ විකිරණ වැඩි වශයෙන් විමෝචනය කරන අතර එබැවින් එවන් වස්තු රතු පැහැයෙන් දිස් වේ. නමුත් වස්තුවේ උෂ්ණත්වය තවදුරටත් ඉහල නැංවූ විට මූලික සංඛ්‍යාතය දෘශ්‍ය කලාපයේ මධ්‍යයට තල්ලු වන බැවින් ඉහත ආකාරයට සංඛ්‍යාත ව්‍යාප්තිය ඇති වී එය සුදු පැහැයෙන් දිස් වේ. එවිට වස්තුව ශ්වේත තප්ත වේ යැයි කියමු. මෙය වීන් විස්ථාපන නියමයයි. රූප සටහනේ එක් එක් වක්‍රය සඳහා උච්ච අගය උෂ්ණත්වය වැඩි වත්ම වම්පසට තල්ලු වේ.
• උෂ්ණත්වය ඉහල යන විට සියළුම සංඛ්‍යාතවලට අයත් විකිරණයන් නිකුත් වන සමස්ථ ප්‍රමාණය සීඝ්‍රයෙන් ඉහල යයි. (වස්තුවක උෂ්ණත්වය T විට මෙය T4 ට අනුරූපව වැඩි වේ.) ඒ අනුව සාමාන්‍ය තාප උඳුනක උෂ්ණත්වයේ (නිරපේක්ෂව සැලකූ විට කාමර උෂ්ණත්වයේ ඇති වස්තුවකට සාපේක්ෂව ඒකීය ‍ක්ෂේත්‍රඵලයක් සඳහා 16 ගුණයකින් ඉහල ශක්තියක් තාප විකිරණ ලෙස මුදා හරී. එමෙන්ම තාප දීප්ත විදුලි බුබුලක සූත්‍රිකාවේ උෂ්ණත්වයට (දළ ව‍ශයෙන් 300 K, එනම් කාමර උෂ්ණත්වය මෙන් 10 ගුණයක් පමණ) සමාන උෂ්ණත්වයක් ඇති වස්තුවක් සඳහා මෙම අගය 10000 ගුණයක් පමණ වේ. ගණිතමය වශයෙන් ස්ටෙෆාන් - බෝල්ට්ස්මාන් නියමට අනුව විකිරණ ලෙස විමෝචනය වන මුළු ශක්තිය නිරපෙක්ෂ උෂ්ණත්වයේ 4 වැනි ඉලයට සමානුපාතිකව වැඩි වේ. රූප සටහනේ වක්‍ර තුළ අන්තර්ගත වන ක්ෂේත්‍රඵලය උෂ්ණත්වය වැඩිවත්ම ඉතා සීඝ්‍රයෙන් වැඩි වේ.

ශක්ති හුවමාරුව

කැන‍ඩාවේ ඔන්ටෝරියෝ හි ඔටාවා ප්‍රදේශය ආශ්‍රිතව පිහිටි ජාතික පර්යේෂන කවුන්සිලය ම් ආයතනයේ පිහිටි නිශ්චිතව ප්‍රමාණීකරණ්‍ය කළ ශක්ති අනාවරණ සඳහා යොදා ගැනෙන විකිරණ තාප පුවරුව මෙහි දැක්වේ.

උණුසුම් වස්තූන් සිසිල් වස්තූන්ට සාපේක්ෂව වැඩි තාප ප්‍රමාණයක් විකිරණය කරයි. මෙය වස්තූන් අතර තාප හුවමාරුව සිදුවන එක් ක්‍රමවේදයක් බැවින් තාපගති විද්‍යාවේ දී තාප විකිරණය ඉතා වැදගත් සංකල්පයක් වේ. (අනෙක් ක්‍රමවේද වනුයේ සන්නයනය සහ සංවහනය වේ) ශක්ති හුවමාරුව පහත සමීකරණය මත රඳා පවතී.

$\alpha +\rho +\tau =1.\,$

මෙහි $\alpha \,$ මඟින් වර්ණාවලි අවශෝෂක සාධකයක්, $\rho \,$ මඟින් වර්ණාවලි පරාවර්තක සාධකයක් $\tau \,$ මඟින් වර්ණාවලි සම්ප්‍රේෂක සාධකයක් දැක්වේ. මෙම සියළු සාධක $\lambda \,$ හෙවත් තරංග ආයාමය මත ද රඳ‍ා පවතී. වර්ණාවලි අව‍‍ශෝෂණ සාධකය විමෝචකතාව $\epsilon \,$ ට සමාන වේ. මෙම සම්බන්ධතාවය තාප විකිරණයේ කර්චොෆ් නියමය ලෙස හැඳින්වේ. පහත සමීකරණය සියළු සංඛ්‍යාත සඳහා වලංගු වන වස්තූන් කෘෂ්ණ වස්තූන් ලෙස හැඳින්වේ.

$\alpha =\epsilon =1.\,$

ප්‍රායෝගික තත්ව යටතේ කාමර උෂ්ණත්වයේ ඇති වස්තුවලින් තාප විකිරණ ලෙස විශාල ශක්ති ප්‍රමාණයක් හානි වේ. කෙසේ නමුත් අධෝරක්ත විකිරණ ලෙස හානිවන ශක්තිය නැවත අවට ඇති වස්තූන්ගේ තාපය අවශෝෂණයෙන් ලැබේ. උදාහරණයක් ලෙස වර්ගමීටර දෙකක පමණ ක්ෂේත්‍රඵලයක් ඇති උෂ්ණත්වය 307K වන මානව දේහයකින් නිරන්තරයෙන්ම වොට් 1000ක පමණ ශක්තියක් විමෝචනය වේ. නමුත් මිනිසා 296 K ක උෂ්ණත්වයේ පවතින කාමරයක් තුළ සිටී නම් බිත්ති, සිවිලිම සහ අනෙකුත් අවට වස්තූන්ගෙන් ඔහුට වොට් 900ක පමණ ශක්තියක් ආපසු ලැබෙන බැවින් ශුද්ධ ශක්ති හානිය වොට් 100ක් පමණ වේ. ඇඳුම් මඟින් මෙම තාප හානිය තවදුරටත් අ‍වම කරයි. (ඇඳුම් සදා ඇති ද්‍රව්‍යවල තාප සන්නායකතාව මිනිස් සමට වඩා අඩුය. එබැවින් සිරුරේ සිට පරිසරයට තාප හානි වන සීඝ්‍රතාව අඩු වේ) වස්තුවක පැහැය සුදු වූ පමණින්ම එය එලෙසම තාප අධෝරක්ත කිරණ සඳහා ද පරාවර්තක (සහ එනයින් විමෝචක නොවන ඒවා) නොවේ. විකිරක අතරින් බහුතරයක් සුදු පැහැයෙන් වර්ණ ගන්වා තිබීම මේ සඳහා නිදසුනකි. තවද ඇක්‍රීලික් සහ යුරිතේන් පදනම් කරගෙන නිපදවන සුදු පැහැ තීන්ත වර්ග සඳහා කාමර උෂ්ණත්වයේ දී විකිරණය සඳහා කෘෂ්ණ වස්තු විකිරණය මෙන් 93% කාර්යක්ෂමතාවය ඇත.( ඒ අනුව කෘෂ්ණ වස්තු ගුණ හැමවිටම කළු පැහැයක් සමඟ බද්ධ වී නොමැත)

කුහරයක් හෝ අවකාශයක් සමඟ වස්තු සමූහයක විකිරක තාප හුවමාරුව ගණනය කිරීම සඳහා විකිරක (Radiosity) ක්‍රමය ඇසුරින් එකිනෙකට සමාන්තර සමීකරණ කිහිපයක විසඳුම් ලබාගත යුතු වේ. මෙම ගණනය කිරීම්වල දී ගැටළුවෙහි ජ්‍යාමිතික ස්වභාවය දර්ශක සාධක ලෙස හැඳින්වෙන සංඛ්‍යා සමූහයකට ඌනනය කරගනු ලැබෙන අතර මෙම දර්ශක සාධක මඟින් එක් පෘෂ්ටයකින් විමෝචනය වන විකිරණ ප්‍රමාණයෙන් තවත් නිශ්චිත පෘෂ්ටයකම උරාගන්නා ප්‍රමාණය නිරූපනය වේ. මෙම ගණනය කිරීම් සූර්ය තාප ශක්තිය , බොයිලේරු හා ඌෂ්මක සැලසුම්කරණය සහ කිරණ අනුරේඛ පරිහණ රූ නිර්මාණකරන යනාදී ක්ෂේත්‍රවලදී වැදගත් වේ.

සමීකරණය

කෘෂ්ණ වස්තුවක ඒකක ඝන කෝණීය, ඒකක ක්ෂේත්‍රඵලයක් සඳහා ν ඒකීය සංඛ්‍යාතයකට අනුරූප විකිරක ජවය පහත සමීකරණයෙන් දෙනු ලැබේ.

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

විකිරක වස්තුවක් සමඟ පූර්ණ තාපජ සමතුලිතතාවයේ පවතින ක්වොන්ටිනීකෘත විද්‍යුත් චුම්භක ක්ෂේත්‍රයක වර්ණාවලීය ශක්ති ව්‍යාප්තිය ගණනය ඇසුරින් මෙම සමීකරණයේ ගණිතමය ගොඩනැඟීම සිදු ‍වේ.

ඉහත සමීකරණ ν මතින් අනුකලනය කළ විට ස්ටෙෆාන් බෝල්ට්ස්මාන් නියමයෙන් ලැබෙන නිදහස් වන විට අගය පහත පරිදි ලැබේ.

$W=\sigma \cdot A\cdot T^{4}$

තවද විමෝචක ප්‍රභලතාව උපරිම වන තරංග ආයාමය $\lambda \,$, වීන් නියමය මඟින් දෙනු ලැබේ.

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

කෘෂ්ණ නොවන පෘෂ්ට සඳහා (මෙය සාමාන්‍යයෙන් සංඛ්‍යාතය අනුව නිර්ණය කළ යුතුය) විමෝචකතා සාධකය භාවිතා කළ යුතු‍ වේ. අනුකලනයට පෙර මෙම සාධකය විකිරක වර්ණාවලි සමීකරණය සමඟ ගුණ කළ යුතු වේ. මෙසේ නිදහස් වන ජවය සඳහා ලැබෙන සමීකරණය උෂ්ණත්වය මත විචලනය වන සාධකය ද ඇතුළත් වන පරිදි පහත ලෙස ලිවිය හැක. උෂ්ණත්වය මත විචලනය වන සාධකය බොහෝ විට ε ලෙස හැඳින්වෙන අතර එය තරමක් පැටලිලි සහගත වේ

$W=\epsilon (T)\cdot \sigma \cdot A\cdot T^{4}$

නියතයන්

ඉහත සමීකරණවල භාවිතා වූ නියතයන්ගේ අර්ථ දැක්වීම්

$h\,$	ප්ලාන්ක් නියතය	6.626 0693(11)×10-34 J·s = 4.135 667 43(35)×10-15 eV·s
$b\,$	වීන් විස්ථාපන නියතය	2.897 7685(51)×10–3 m·K
$k_{B}\,$	බෝල්ට්ස්මාන් නියතය	1.380 6505(24)×10−23 J·K-1 = 8.617 343(15)×10−5 eV·K-1
$\sigma \,$	ස්ටෙෆාන් - බොල්ට්ස්මාන් නියතය	5.670 400(40)×10−8 W·m-2·K-4
$c\,$	ආලෝකයේ වේගය	299,792,458 m·s-1

Variables

Definitions of variables, with example values:

$T\,$	උෂ්ණත්වය	Average surface temperature on Earth = 288 K
$A\,$	පෘෂ්ට ක්ෂේත්‍රඵලය	Acuboid = 2ab + 2bc + 2ac; Acylinder = 2π·r(h + r); Asphere = 4π·r2