Sulla radiazione
Teoria e applicazioni
Piercarlo ROMAGNONI
Dorsoduro 2206
30123 Venezia
041 257 12 93
[email protected]
Radiazione termica
qsuperficiale
vuoto
qnetto
Meccanismo
di
scambio
termico tra 2 corpi aventi
temperature
superficiali
diverse, anche se separati dal
vuoto
qsolido
Se qsolido > qsuperficiale l’energia termica scambiata qnetto è diretta dal solido
alla superficie dell’involucro
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.
Per una modellizzazione della radiazione termica si ricorre
ad una descrizione che ne definisce l’intensità in funzione
della temperatura della superficie radiante q, della
lunghezza d’onda l della radiazione emessa e della
direzione j verso cui la radiazione è emessa.
Onda: qualsiasi perturbazione nel sistema, impulsiva o
periodica, che si propaga con velocità ben definita
Onde meccaniche:
propagarsi
necessitano
di
mezzo
materiale
per
Onde elettromagnetiche: non necessitano di mezzo materiale
per propagarsi
Vi è trasporto di Energia e di Quantità di moto
c
l
f
l
l
Lunghezza d’onda,l [m]
20
10
10
20
5
50
2
100
1
200
0.2
500
Frequenza, f [Hz]
1k
0.1
2k
0.05
5k
10 k
In fase
In opposizione di
fase
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 (1 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 f (oppure n), velocità c (velocità della luce), lunghezza
d’onda l.
ln c
c = velocità della luce [m/ s];
c0 = 2,9976 ∙ 108 m/s (nel vuoto)
n = frequenza [Hz]
Modello corpuscolare della radiazione: energia associata ad un fotone
e=hn =hc/l
h = costante di Planck = 6,625 · 10-34 J s
Legge di Planck
Spettro onde elettromagnetiche
il visibile
< 0,45 m violetto
0,45 0,5 blu
0,50 0,57 verde
0,57 0,59 giallo
0,59 0,61 arancio
> 0,61m rosso
visibile (0,38 0,7)
Raggi
ultra
infrarossi
violetto
Raggi x
10-5
10-4
1019 1018
10-3
1017
Radiazioni termiche
10-2
1016
10-1
1015
1
1014
101
1013
Microonde
Radar, TV, radio
102
1012
103
1011
104
1010
105
106
l [m]
109
[Hz]
Il bilancio di energia (corpo non trasparente)
I
Energia incidente: I
Energia riflessa: rI
Energia assorbita: a I
aI
r I
I=rI+ aI
per la superficie terrestre r = 0,34
I
Corpo trasparente
I=rI+ aI+tI
aI
rI
tI
Per il fatto stesso di possedere
una temperatura finita un corpo
emette energia sotto forma di
radiazione
Anche l’energia emessa dipende dalla temperatura del corpo e
varia con la lunghezza d’onda e la direzione considerata.
Si può porre: a = e (Legge di Kirchoff)
e = emissività della superficie
Come si possono
elettromagnetiche?
isolare/
schermare
Visibile:
materiale non trasparente
Infrarosso:
materiale non trasparente
UV:
strato di O3 in atmosfera
Raggi x:
lastra di Piombo
le
radiazioni
(?)
Raggi :
per ridurre del 50% l'intensità di un raggio
gamma occorrono 1 cm di Piombo, 6 cm di cemento o 9 cm di
materiale pressato
Onde radio:
fogli di alluminio
Per schermare un campo elettromagnetico occorrono in generale
materiali metallici o comunque che presentino una buona
conducibilità elettrica. Per il campo magnetico a bassa frequenza,
giova anche una elevata permeabilità magnetica.
Il campo elettrico di bassa frequenza (come i 50 Hz degli
elettrodotti) è molto facile da schermare, per esempio con della rete
metallica. Addirittura un buon effetto schermante è determinato
anche dai normali materiali da costruzione, dalla vegetazione o dal
terreno.
il campo magnetico di bassa frequenza (50 Hz) è invece molto
difficile da schermare: per una schermatura efficace occorrono lastre
di acciaio o altro materiale ferromagnetico spesse diversi millimetri.
Il campo elettromagnetico a radiofrequenza (per esempio a 900 MHz,
come nel caso della telefonia cellulare) può essere facilmente
schermato da contenitori metallici, ma solo a condizione di realizzare
in essi aperture non più grandi di pochi centimetri. Non è quindi
possibile, in pratica, schermare efficacemente le abitazioni o gli
uffici.
Il vetro rivestito, o vetro con coating, si ottiene mediante il deposito
di ossidi metallici sulla superficie e si utilizza in edilizia per
controllare e migliorare le prestazioni ottico - energetiche delle
vetrate.
Esistono due famiglie di vetro coatizzato, definite sulla base del
processo produttivo utilizzato:
coating on-line: vetro pirolitico
coating off-line: vetro magnetronico
Per i coating on-line, il processo di pirolisi viene realizzato ad
elevata temperatura, durante la formatura del vetro float, ed
introduce legami forti tra deposito e vetro. La resistenza superficiale
del rivestimento è quindi molto elevata, pari a quella del vetro.
Questi coating resistono anche a trattamenti termici successivi,
quali tempra, curvatura, ...
Si possono creare superfici con emissività fino al 13% (contro il
90% del normale vetro float).
Con i coating off-line si producono applicando molti più strati di ossidi
metallici, ma possono essere soggetti a deteriorabilità. Pertanto molte
tipologie possono essere utilizzate esclusivamente se montate in
vetrocamera.
Si possono anche applicare strati metallici la cui ossidazione si completa
in successivi trattamenti termici (tempra), dando luogo a coating
temprabili.
Si creano superfici che riflettono e trasmettono la radiazione solare su
specifiche lunghezze d’onda, con un'emissività estremamente ridotta
(fino all'1%, contro il 90% del normale vetro float).
Materiale
Oro lucidato
Rame lucidato
“
ossidato
Alluminio
Emissività normale
0,018
0,03
0,78
0,039
Argilla cotta
0,91
Intonaco, mattoni
0,93
Vetro
0,94
Acqua, ghiaccio
0,966
Cartone bitumato
0,93
Legno
0,94
Profondità
[m]
Assorbimento selettivo sott’acqua
Di nuovo il vetro…
Trasmissione «intelligente»: le nuove «smart» windows
Le zone più spesse di una pellicola sottile appaiono blu, poiché le
lunghezze d’onda più lunghe della luce rossa subiscono
un’interferenza distruttiva.
Le regioni più sottili appaiono rosse perché le lunghezze d’onda più
corte della luce blu interferiscono distruttivamente.
Radiazioni UV
UV-C: 100 - 280 nm Sterilizzazione
UV-B: 280 - 315 nm Eritema cutaneo, ma anche con
proprietà terapeutiche e di sintesi della vitamina D
UV-A: 315 - 380 nm Pigmentazione cutanea
Lampade UV a led
I raggi infrarossi
Nome banda
Limite superiore
Limite inferiore
Standard DIN/ CIE
IR-A
700nm
1400 nm
IR-B
1,4 m
3 m
IR-C
3 m
1000 mm
Vicino
700 – 1000 nm
5 m
medio
5 m
25 -40 m
25 -40 m
200 -350 m
vicino (NIR)
750 nm
1400 nm
onda corta (SWIR)
1,4 m
3 m
onda media (MWIR)
3 m
8 m
onda lunga (LWIR)
8 m
15 m
15 m
1000 m
Classificazione astronomica
lontano
Sistema ingegneristico
lontano (FIR)
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 10°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 diagnostica
- Elettrico / Elettronica
- Industria: controllo/qualità processo e corretto funzionamento
macchinari
-…
Analisi Termografia di due edifici:
-Edifico A costruito precedentemente
al 1991
(Legge 9 gennaio 1991, n. 10)
A
-Edificio B costruito
successivamente al 2005
(Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n. 1929)
B
Lo spettro delle microonde è definito solitamente nell'intervallo di
frequenza compreso tra 1 GHz e 1000 GHz, ma altre definizioni
includono frequenze minori.
La maggior parte delle applicazioni operano tra 1 e 40 GHz.
In un forno a microonde viene generato un campo
elettrico alternato (magnetron) ad una frequenza normalmente
pari a 2,45 GHz con una potenza solitamente compresa tra 100 W
ed 1 kW.
La camera di cottura è sostanzialmente una gabbia di Faraday che
impedisce la fuoriuscita di microonde.
In un forno a microonde non tutta l'energia elettrica assorbita è
convertita in microonde.
Un apparecchio per uso domestico può assorbire circa 1
1 kW producendo 700 W di microonde. I rimanenti 400 W sono
dissipati come calore dai componenti del forno, soprattutto dal
magnetron, che è raffreddato da una ventola
