lezione_02_2016
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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
