TEPLO, SVĚTLO, ENERGIE

Transkript

1 INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/ TEPLO, SVĚTLO, ENERGIE PETR NOVOTNÝ PETR ŠVARC TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

2 Teplo, světlo, energie. KATEDRA ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ

3 KATEDRA ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ Kontakt: Kontakt: 2

4 Technický pokrok si lze představit p různě,, vždy v je spojen s energií 3

5 Většina energie pochází ze Slunce Elektromagnetické spektrum vyzařovan ované sluncem za hranicemi viditelného světla kontinuáln lně pokračuje, zález leží na atmosférick rické propustnosti Atmosférická transmitace, propustnost, přenos 4

6 Atmosféra nás n s chrání před nebezpečným ným zářenz ením, ale zároveň nám m brání sledovat celkově dění ve vesmíru ze Země 5

7 Elektromagnetické spektrum Vlnová délka nám n říká,, jak dlouhá je vzdálenost mezi dvěma hřbety h vln. Analogickou veličinou inou je frekvence veličina ina říkající nám, kolikrát t vlna kmitne za 1 sekundu. C rychlost šíření vlnění f -frekvence 6

8 Elektromagnetické spektrum Roztřídíme me-li si vlnové délky zářenz ení vydávan vaného určitým zdrojem a zjistíme me-li si intenzity zářenz ení na těchto t jednotlivých vlnových délkd lkách, dostaneme tzv. spektrum. 7

9 Elektromagnetické spektrum Na obrázku je schematicky naznačen obor vlnových délek d celého spektra 8

10 Elektromagnetické spektrum elektromagnetického spektra od nejkratší ších po ty nejdelší ší.. Uzounkou oblast mezi 400 aža 700 nm můžeme vnímat zrakem a tento obor elektromagnetického zářenz ení jsme nazvali světlo. 9

11 Terminologie termíny pro zářenz ení ultrafialové ( nad fialovou,, zkratka UV z anglického ultraviolet) ) a infračerven ervené ( pod červenou, zkratka IR z anglického infrared). Připomeňme ještě, že e UV zářenz ení má větší energii než světlo a IR zářenz ení menší energii. 10

12 Terminologie Infračerven ervené záření (IR) je elektromagnetické záření s vlnovou délkoud mezi 0,7 aža 300 mikrometrů, což se rovná frekvenčnímu rozsahu od přiblip ibližně 1 a 430 THz 1THz = Hz 11

13 Terminologie Terahertzové záření, T-paprsky i terahertzové paprsky, anglicky T-raysT je označen ení pro oblast elektromagnetického spektra ležící mezi mikrovlnným a infračerveným zářenz ením. 12

14 Terminologie Terahertzové vlny proniknou oblečen ením, papírem rem, dřevem, zdivem, umělou hmotou i keramikou (bezpečnostn nostní technika, medicína atd). 13

15 Terminologie Jasné sluneční světl tlo poskytuje ozářen ení jen přes p 1 kilowatt na metr čtvereční na úrovni moře. Z této t to energie je 527 wattů infračerven ervené záření,, 445 wattů je viditelné světlo a 32 wattů je ultrafialové záření. 14

16 Terminologie Rekapitulace Infračerven ervená energie je jen jednou částí elektromagnetického spektra, která zahrnuje tato záření; gama zářenz ení, roentgenovy x-paprsky, ultrafialové, tenká oblast viditelného světla, infračerven erveného záření, terahertzové vlny, mikrovlny a rádiové vlny. 15

17 Terminologie infračerven ervené záření úzce souvisí s vjemem tepla tzv. absolutně černé těleso energii pouze vyzařuje a neodráží Z vnějšku dodaná energie do tělesa t (např. chemická reakce (hořen ení), použit itá k jeho ohřevu) způsob sobí zvýšen ení intenzity pohybu molekul tvořící těleso. 16

18 Terminologie kondukce Přenos tepla vedením m (kondukce) Jde vlastně v našem příkladp kladě o přenos p vibrací (kmitání) ) atomů pevných těles, t čímž dochází k pohybu energie od teplejší šího konce směrem ke studenější šímu. Fourierův zákon toku tepla vedením Q/A = k. (ΔT) / L Q je tok tepla na jednotku plochy A 17

19 Terminologie konvekce Přenos tepla prouděním m (konvekce) Nucené proudění se uplatňuje, uje, kdy vnější zdroj, jako např.. ventilátor tor chlazení (topení), uvádí tekutinu do pohybu. 18

20 Terminologie radiace Přenos tepla zářenz ením(radiací) Rychleji kmitající a vibrující částice mají teď více energie, jsou proto méněm stabilní a rády r by se této to přebytep ebytečné energie zbavily. Jak to udělaj lají? Vyzáří ji! Při P i vzájemných srážkách molekuly přecházejí na nižší vibrační a rotační energetické hladiny a přebytep ebytečnou energii vyzařuj ují do okolního prostřed edí jako zářenz ení. 19

21 Terminologie radiace hodně rozkmitané atomy a molekuly vyzařuj ují vysokoenergetické kvanta, tj. viditelné světlo a UV zářenz ení.. Málo M rozkmitané molekuly vyzařuj ují nízkoenergetické kvanta, tj. IR záření. 20

22 Terminologie radiace může e procházet vakuem, uskutečň čňuje se elektromagnetickou emisí a absorpcí, probíhá rychlostí světla a chová se jako světlo, Tepelná radiační energie přenp enášená mezi dvěma povrchy je úměrná třetí mocnině tepelného rozdílu mezi oběma povrchy. 21

23 Terminologie radiace Důsledek je následujn sledující: : při p i absolutní nule by se zastavil pohyb atomů a molekul a těleso t by nevydávalo valo žádné elektromagnetické záření. Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, však v vyzařuje elektromagnetické záření. Vlnová délka tohoto zářenz ení závisí na teplotě. Čím je teplota tělesa t vyšší šší,, tím t m je vlnová délka vydávan vaného zářenz ení kratší ší.. Při P i nízkých n teplotách vydává těleso tzv. daleké IR zářenz ení. 22

24 Infračerven ervené záření Pro infračerven ervené záření platí stejné zákony jako pro světlo, což umožň žňuje konstrukci optických soustav,, v nichž se používaj vají optické prvky (čočky, )) zhotovené ze speciáln lních materiálů. Díky tomu, že e infračerven ervené záření vyzařuj ují prakticky všechna v tělesa, t lze použít t infračervený dalekohled i k pozorování ve tmě. 23

25 Infračerven ervené záření Infračerven ervené záření také snadněji proniká zakaleným prostřed edím m (mlha, atmosféra Země, )) než světlo. Známé jsou např. snímky povrchu Země pořízen zené meteorologickými družicemi icemi. 24

26 Infračerven ervené záření Zkoumání vesmíru 25

27 Infračerven ervené záření Povrchy těles t zahřívá absorpce libovolného elektromagnetického zářenz ení. IR zářenz ení zapříčiňuje pouze přiblip ibližně 50 % zahřívání zemského povrchu, zbytek je způsoben viditelným světlem tlem. Je však v pravdou, že e objekty při p i pokojové teplotě emitují nejvíce zářenz ení v infračerven erveném m pásmu p µm. 26

28 Infračerven ervené záření Tepelné záření (též infračerven ervené záření) ) je jeden ze způsob sobů šířen ení tepla,, při p i kterém každé těleso s teplotou vyšší než okolí vyzařuje teplo a každé těleso s teplotou nižší než okolí pohlcuje teplo. Tepelná energie je přenp enášena ve formě elektromagnetického zářenz ení.. V souvislosti s tepelným zářenz ením m se také hovoří o sálání. 27

29 Infračerven ervené záření Vlastnosti Na rozdíl l od přenosu p tepla vedením nebo prouděním se můžm ůže e prostřednictv ednictvím záření teplo přenp enášet i ve vakuu,, tzn. bez zprostředkov edkování přenosu látkovým prostřed edím.. Tepelné záření se nejlépe šíří ve vakuu. 28

30 Infračerven ervené záření Vlastnosti Množstv ství vyzařovan ovaného a přijp ijímaného tepla závisí na rozdílu teplot tělesa t a okolí a na barvě povrchu tělesa (tmavá a matná tělesa vyzařuj ují a přijp ijímají více tepla, světl tlá a lesklá tělesa vyzařuj ují a přijp ijímají méně tepla). 29

31 Kamera Zvláš áštní kamera dokáže e detekovat zářenz ení podobným způsobem jako běžb ěžný fotoaparát t viditelné světlo. Funguje to dokonce i v úplné tmě,, protože na úrovňi osvětlen tlení nezále leží. 30

32 Kamera Nejčast astější aplikace: preventivní a prediktivní údržba měření teplotních úniků (izolačních vlastností staveb) nedestruktivní zkoušen ení (NDT) kontroly technologických procesů bezpečnost (ostraha perimetru, noční pozorování) detekce osob se zvýšenou tělesnou t teplotou zdravotnictví ochrana životního prostřed edí věda, výzkum aj. 31

33 Kamera Obrázky z infračerven ervené kamery mají tendenci být jednobarevné,, protože kamery jsou obecně určeny pouze jeden typ čidla reagující na jedno vlnové spektrum infračerven erveného zářenz ení. Jejich rozlišen ení je výrazně nižší než optických kamer, většinou v jen 160x120 nebo 320x240 pixelů. 32

34 33

35 Nepravé pseudo barvy Někdy tyto černobílé snímky jsou zobrazeny v pseudo-barv barvách. 34

36 Nepravé pseudo barvy Někdy tyto černobílé snímky jsou zobrazeny v pseudo-barv barvách. 35

37 Základní rozdělen lení kamer s rozkladem obrazu - scannery a bez rozkladu obrazu - s maticovými detektory. Dle způsobu chlazení existují přesnější kamery s chlazeným detektorem a kamery s nechlazeným detektorem. Chlazený detektor je chlazen tekutým dusíkem, nebo speciálním objemným zařízením 36

38 Teoretické základy termovizních měření Planckův vyzařovací zákon Wienův zákon Stefanův -Boltzmannův zákon 1. a 2. Kirchhoffův zákon 37

39 Planckův vyzařovací zákon Harmonický oscilátor může e vyměň ěňovat energii s okolím m jen nespojitě po jistých kvantech. Na základz kladě představy, že e těleso t se skládá z velkého množstv ství takovýchto oscilátor torů, odvodil zákon z zářenz ení absolutně černého tělesa. 38

40 Planckův vyzařovací zákon E spektrální hustota zářivého toku černých objektů do poloprostoru, 39

41 Wienův zákon rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku E oλ ke kratším vlnovým délkám 40

42 Stefanův - Boltzmannův zákon integrací spektrální hustoty zářivého toku černého objektu E oλ (1), a to přes celý rozsah vlnových délek λ (od 0 do ) a za konstantní teploty. Výsledkem je hustota zářivého toku E o [W.m -2 ] Pro šedá tělesa je definována emisivita povrchu tělesa ε [-]. U reálných tepelných zdrojů je emisivita funkcí vlnové délky, teploty a směru vyzařování. 41

43 Stefanův - Boltzmannův zákon V tabulkách lze nalézt emisivitu do poloprostoru a ve směru normály. Zdroje, které září rovnoměrně do všech směrů poloprostoru se nazývají Lambertovy. Protikladem jsou laserové zdroje, které vyzařují jen úzký svazek paprsků. 42

44 První Kirchhoffův zákon Zabývá se interakcí záření s objektem a říká, že : součet reflektance r, (činitel odrazu, odrážecí schopnost) Absorptance (míra pohlcení záření) a a transmitance t (lat. transmitto převádím, propouštím, světlo které prošlo vzorkem) daného objektu je vždy roven jedné 43

45 Druhý Kirchhoffův zákon Objekt je tak dokonalým zářičem, jak dovede záření pohlcovat Zrcadlový povrch, kdy úhel dopadu záření je roven úhlu odrazu a difúzní povrch, který dopadající záření odráží rovnoměrně do všech směrů a projevuje se pak jako sekundární Lambertův zdroj. 44

46 Rozbor záření při měření termovizní kamerou Při vlastním termovizním měření dochází k vzájemnému přenosu a ovlivňování zářivých toků nejen mezi kamerou a měřeným objektem, ale prakticky vždy je třeba brát v úvahu i vliv záření okolního prostředí. 45

47 Měření objektů kameře nastavíme vhodný rozsah teplot T [K], sledovaný objekt má být v zorném poli kamery co největší třeba znát emisivitu ε [-] a střední radiační teploty okolního prostředí je třeba odclonit záření okolí 46

48 Kamera použit ití Špatná elektro-instalace 47

49 Měření objektů 48

50 Měření v místnostim Špatná montáž plastových oken na kolejích TU Liberec 49

51 Měření objektů U venkovních experimentů je vhodné provádět měření brzy ráno či pozdě odpoledne, bez slunečního záření Budova Menzy TU Liberec 50

52 Měření objektů Menza TU Liberec ocelová okna Blok kolejí A Zataženo bezvětří po sněhové přeháňce teplota +1 C 51

53 Měření objektů Měření v noci 52

54 Měření objektů částečně neprůteplivém prostředí -v mlze, dešti nebo při sněžení zmenšuje přesnost měření, a proto není vhodné měřit 53

55 Přesná termovizní měření Pokud je okolní prostředí homogenní, je postačující znát střední radiační teplotu V nehomogenním prostředí je vhodné pak znát rovinnou radiační teplotu z poloprostoru před měřeným objektem Měříme pomocí radiačních teploměrů nebo též termovize pro ε =1 54

56 Zdravotnictví 55

57 Pokovená okna jsou jako tepelné zrcadlo Max teplota 16,1 C min teplota 6,5 C rozsah -20 C až +100 C 56

58 Děkujeme za pozornost 57