Kiirgus

Kolmas viis, millega keha ja ümbritsev keskkond saavad vahetada energiat, on elektromagnetlainete kaudu (nähtav valgus on elektromagnetlainete üks liik). Sel viisil üle kantud energiat nimetatakse sageli soojuskiirguseks, eristamaks seda elektromagnetilistest signaalidest (mida kasutatakse nt telesaadete edastamiseks) ja tuumakiirgusest (aatomituumade poolt kiiratav energia ja osakesed, radioaktiivne kiirgus). Kui te seisate suure tule lähedal, soojendab teid tule soojuskiirguse neeldumine teie kehas, s.t teie soojusenergia kasvab, samal ajal kui tulel see kahaneb. Soojuse ülekandeks kiirguse abil ei ole vaja keskkonda – kiirgus levib vaakumis, nt Päikeselt teieni.

Võimsus (ajaühikus kiiratav energiahulk) $P_{k i i r g}$ , millega objekt kiirgab soojuskiirgust, sõltub objekti pindalast $A$ ja selle pinnatemperatuurist $T$ kelvinites ja on antud seosega

(18-38)

P_{kiirg} = σ ϵ A T^{4}

JOONIS 18-20 Pseudovärvides termogramm näitab kassi poolt kiiratava soojuskiirguse intensiivsust. Kiirguse intensiivsus (ajaühikus pinnaühikult kiiratav energia) on värvuskodeeritud, valge ja punane vastavad kiirguse suurimale intensiivsusele. Kassi nina on külm.

Siin $σ = 5, 6704 \times 10^{- 8} W / m^{2} \cdot K^{4}$ kannab Stefani-Boltzmanni konstandi nimetust: Josef Stefan avastas seose 18-38 eksperimentaalselt aastal 1879 ja Ludwig Boltzmann tuletas seose varsti pärast seda teoreetiliselt. Objekti pinna kiirgustegur $ϵ$ omab väärtust vahemikus $0$ kuni $1$ sõltuvalt pinna omadustest. Pinda, mille kiirgustegur omab maksimaalset väärtust $1$ , nimetatakse mustkiirguriks, aga selline pind on idealisatsioon, mida looduses ei esine. Pange tähele, et temperatuur valemis 18-38 peab olema kelvinites, seega absoluutse nulli juures soojuskiirgus puudub. Pange samuti tähele, et iga objekt, mille temperatuur on üle $0 K$ – sealhulgas teie ise – kiirgab soojuskiirgust. (Vt joonist 18-20.)

Ajaühikus keha poolt ühtlasel temperatuuril $T_{k k}$ (kelvinites) olevast keskkonnast neelatav soojuskiirguse energia avaldub

(18-39)

P_{neeld} = σ ϵ A T_{k k}^{4}

Kiirgustegur $ϵ$ valemis 18-39 on sama mis valemis 18-38. Ideaalne mustkiirgur, mille $ϵ = 1$ , neelab kogu talle langeva kiirgusenergia ilma midagi tagasi peegeldamata või hajutamata.

Kuna objekt kiirgab energiat keskkonda, sealjuures ise keskkonnast tulevat energiat neelates, siis summaarne energiavahetus ajaühikus on

(18-40)

P_{res} = P_{neeld} - P_{kiirg} = σ ϵ A (T_{k k}^{4} - T^{4})

Siin $P_{r e s}$ on positiivne, kui energiat kiirguse vahendusel summaarselt juurde saadakse, ja negatiivne, kui kaotatakse.

Tuleme nüüd tagasi loo juurde Melanophila mardika võimest tajuda suurt tulekahju $12 k m$ kauguselt seda nägemata või haistmata. Mardika kummalgi küljel asetsev organipaar suudab avastada isegi madala intensiivsusega soojuskiirgust. Igas organis sisaldub umbes $70$ mügarjat sensorit, mis õige veidi paisuvad, kui neelavad tule soojuskiirgust; paisudes suruvad nad nende all asuvatele sensorrakkudele. Detektor on seega seade, mis muudab soojuskiirguse energia mehaanilise seadme energiaks. Mardikas saab määrata tulekahju suuna, orienteerides ennast selliselt, et kõik neli infrapunatajurit oleksid mõjustatud, ja lendab siis tule poole nii, et organite kostereaktsioon tugevneks.

JOONIS 18-21 Lõgismao näos on soojuskiirguse andurid, mis võimaldavad maol rünnata saaklooma isegi täielikus pimeduses. (David A. Northcott / Corbis Images).

Soojuskiirgus on samuti kaasatud õnnetusjuhtumites, kus surnud lõgismadu salvab tema poole sirutatud kätt. Lõgismao kummagi silma ja ninasõõrme vahel asuvad süvendid toimivad soojuskiirguse sensoritena. Kui näiteks hiir läheneb lõgismao peale, käivitab hiire soojuskiirgus need sensorid, põhjustades reflektoorse reaktsiooni, kus madu salvab hiirt oma mürgihammastega, pritsides temasse mürki. Läheneva käe soojuskiirgus võib vallandada sama reflektoorse reaktsiooni isegi siis, kui madu on olnud surnud juba kuni $30 m i n$ , kuna ta närvisüsteem jätkab toimimist. Ühe maoeksperdi tõsise soovituse kohaselt tuleks juhul, kui on vaja liigutada äsjatapetud lõgismadu, selleks kasutada pigem pikka toigast kui oma kätt.