Lezione 8: Trasmissione del calore per irraggiamento, Università del Molise

Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE DE LOUISE . SCIENTIA Lezione 8 Irraggiamento: Grandezze Radiative, Corpo Nero e Corpo Grigio, Leggi Fondamentali (Stefan-Boltzmann, Planck, Wien, Kirchhoff)

Ti Te Flusso termico irraggiamento irraggiamento conduzione T. TA Te e convezione convezione λι λ2 λ3 λα ai ti Q INTERNO ESTERNO Q da T2 ta d1 d2 d3 d4 T, Prof. Giuseppe Peter VanoliUniversità degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE LOUISE . SCIENTIA DE

Irraggiamento: Meccanismo di Trasferimento

IRRAGGIAMENTO T. T 1 2 Meccanismo di trasferimento di energia tra sistemi a diverse temperature che avviene anche in assenza di un mezzo (nel vuoto). È un meccanismo strettamente legato a fenomeni elettromagnetici. VUOTO Radiazione Termica Prof. Giuseppe Peter Vanoli 2/33Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE DE LOUISE . SCIENTIA

Onde Elettromagnetiche: Parametri

ONDE ELETTROMAGNETICHE Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dai seguenti parametri: · lunghezza d'onda, » [um]; · periodo o frequenza, T=1/f [s]; · velocità di propagazione, v [m/s].

2 = VT T = v f 1 T v = = 2 Prof. Giuseppe Peter Vanoli 3/33Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE DE LOUISE . SCIENTIA

Spettro Elettromagnetico

Frequenze Radio e Luce Visibile

SPETTRO ELETTROMAGNETICO Frequenze radio (Italia) Violetto 380-450nm Blu Giallo Verde 620-750nm u (nm) 750 713 676 639 602 565 528 491 454 417 380 Wi-Fi (2,4GHZ / 5GHZ) 802.11a: ~ 5,2 / 5,8 GHZ 802.11b/g: 2412MHz - 2484MHz 802.11n: ~ 2,4 / 5GHZ ELF 3Hz 30Hz SLF 30Hz 300Hz ULF 300Hz 3kHz VLF 3kHz 30kHz LF 30kHz 300kHz MF 300kHz 3MHz HF 3MHz 30MHz VHF 30MHz 300MHz UHF 300MHZ 3GHZ LUCE VISIBILE (400nm - 700nm), Canali 802.11 b/g Velocità di trasferimento 1 2412 MHZ 2 2417 MHz Std (Mbit/s) 3 2422 MHz 4 2427 MHz a 5 2432 MHZ 6 2437 MHz b 1, 2, 5.5, 11 100 um 0.1 um RADIAZIONE TERMICA TELEFONI MOBILI GSM: 800-1900MHZ IR Vicino [NIR]: 700/750nm - 5um R medio: 75um - 25/40um IR lontano [FIR]: 25/40pm - 200/350um UV-A: 400-315nm UV-B: 315-280nm UV-C: 180-10nm RAGGI GAMMA RETI ELETTRICHE E TELEFONO RADIO & TV MICROONDE INFRAROSSI UV RAGGI X 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 4 -5 -6 -7 -8 .9 -10 -11 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1:0 10 -12 10 (m) 100Mm 10Mm 1Mm 100Km 10Km 1Km 100m 10m 1m 100mm 10mm 1mm 100um 10um 1pm 100nm 1:0nm 1nm 100pm 10pm 1pm 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1Q 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 f 1Hz 10Hz 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHZ 10GHZ 100GHz 1THz 10THz 100Thz 1PHz 10PHz 100PHz 1EHz 10EHz 100EHz 1ZHz 21 0 1 2 3 4 5 6 7 8 g 10 11 12 13 14 15 1:6 17 18 19 20 (Hz) 2462 MHZ 1, 2, 5,5, 11; 12 2467 MHZ 13 2472 MHz n 24, 36, 48, 14 2484 MHZ ELF: Extremely Low Frequency SLF: Super Low Frequency ULF: Ultra Low Frequency VLF: Very Low Frequency LF: Low Frequency HF: High Frequency VHF: Very High Frequency UHF: Ultra High Frequency MF: Medium Frequency SPETTRO ONDE RADIO 7 2442 MHz b+ 22, 33, 44 8 2447 MHz 2452 MHZ 2457 MHz 6, 9, 12, 18, 9 g 24, 36, 48,54 Banda Uplink Downlink (MHZ) (MHz) 824 - 849 869 - 894 GSM 850 GSM 900 876 - 915 921 -960 GSM 1800 1710-1785 1805-1880 GSM 1900 1850-1910 1930-1990 UMTS/HSDPA: Downlink: 2110-2200MHZ Uplink: 1885-2025MHz RAGGI X MOLLI >> 0.1nm RAGGI X DURI À < 0.1nm 10 11 6, 9, 12, 18, 54, 125 FM: 87,5MHz - 108 MHZ AM: 500KHz ~ 1,5 MHz Radioamatori: 144MHz - 146MHz Trasmissioni forze armate: 30MHz-300MHz 450-495nm 495-570nm 570-590nm Arancione 590-620nm Rosso Prof. Giuseppe Peter Vanoli 4/33

Classificazione delle Onde Elettromagnetiche

Impiego in Industria e Telecomunicazioni

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Scambio Termico e Radiazione Visibile

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Spettro e Frequenza

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lunghezza d'onda 2. -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 10 1 10 10 10 10 10 10 10 metri onde radio onde TV microonde infra- rosso visibile ultra- violetto raggi X raggi y raggi cosmici frequenza f 8 3.1010 3.10 12 3.10 16 3.10 3.10 3.10 22 s-1 3.10 f cresce 700 nm 400 nm rosso arancio giallo verde azzurro 18 20 indaco violetto Prof. Giuseppe Peter Vanoli 7/33

Radiazione Ultravioletta, Visibile e Infrarossa

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore TUTTATI . UNIVERSE AQUISHE . SCIENT Classificazione delle onde elettromagnetiche - Radiazione ultravioletta UVC 0.230 um<><0.280 um UVB 0.280 um<><0.315 um UVA 0.315 um<><0.380 um Radiazione visibile 0.380 um < 2 <0.760 um Radiazione infrarossa 0.760 um < 2 <100 um Prof. Giuseppe Peter Vanoli 8/33

Grandezze Radiative

Grandezze Spettrali e Direzionali

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore DE LICAE UTILITATI . UNIVERSE LOUISE . SCIENTIA Grandezze Radiative Lunghezza d'onda Direzione Grandezze spettrali o monocromatiche Grandezze direzionali La dipendenza dell'energia termica raggiante dalla lunghezza d'onda viene denotata impiegando l'aggettivo spettrale o monocromatico e aggiungendo al simbolo il pedice 1. La dipendenza dalla direzione viene invece detta direzionalità. Allorquando sarà opportuno eliminare o conveniente eliminare la dipendenza spettrale e/o direzionale saranno usate grandezze mediate dette rispettivamente totali e/o emisferiche. Prof. Giuseppe Peter Vanoli 9/33

Grandezze Emisferiche Totali

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE LOUISE . SCIENTIA DE Grandezze Radiative Emisferiche Totali [W/m2] 0 L Potere emissivo emisferico totale E Energia termica emessa dalla superficie considerata nell'unità di tempo e per unità di area in tutte e direzioni e su tutte le lunghezze d'onda. Irradiazione emisferica totale G Energia che incide sulla superficie considerata nell'unità di tempo e per unità di area in tutte e direzioni e su tutte le lunghezze d'onda. Radiosità emisferica totale J Energia che lascia, per emissione e riflessione, la superficie considerata nella unità di tempo e per unità di area in tutte e direzioni e su tutte le lunghezze d'onda. Prof. Giuseppe Peter Vanoli 10/33

Grandezze Radiative Spettrali o Monocromatiche

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE HOUSE . SCIENTIA Grandezze Radiative Spettrali o monocromatiche* [W/(m2um)] Potere emissivo spettrale E, Energia termica emessa dalla superficie considerata nell'unità di tempo e per unità di area e lunghezza d'onda. Irradiazione spettrale G Energia che incide sulla superficie considerata nella unità di tempo e per unità di area e lunghezza d'onda. Radiosità spettrale JA Energia che lascia, per emissione e riflessione, la superficie considerata nell'unità di tempo e per unità di area e lunghezza d'onda. *nello studio introduttivo dell'irraggiamento termico la dipendenza direzionale viene quasi sempre trascurata. Prof. Giuseppe Peter Vanoli 11/33

Integrazione delle Grandezze Monocromatiche

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSE LOUISE . SCIENTIA DE Grandezze Radiative Integrando le grandezze monocromatiche su tutto lo spettro si ottengono le grandezze totali.

E= +8 0 E da

G = D +00 Gada

+00 J = J,da

G R J E R + E J = R+E R è l'aliquota della radiazione incidente sul corpo (irradiazione, G) che viene riflessa. Prof. Giuseppe Peter Vanoli 12/33

Assorbimento, Riflessione e Trasmissione

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore DE LIGNE UTILITATI . UNIVERSE LOUISE . SCIENTIA Assorbimento, Riflessione e Trasmissione Aliquota di G riflessa -> R 1 2 Aliquota di G trasmessa G, r G. G a La radiazione incidente sul corpo (irradiazione, G) viene in parte riflessa, in parte assorbita e in parte trasmessa. I Aliquota di G assorbita G=G +G +G t Prof. Giuseppe Peter Vanoli 13/33

Coefficienti Totali ed Emisferici

Assorbimento, Riflessione e Trasmissione

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore LICAE UTILITATI . UNIVERSI HOUSE . SCIENT DE Coefficienti Totali ed Emisferici:

1 2 Assorbimento a = G a G [0;1]

G, r > Riflessione p = G r G [0;1]

7 Trasmissione T= I G a G, r a+p+t= G G + =1 G a+p+t=1 Prof. Giuseppe Peter Vanoli 14/33

G. G [0;1] G, t G G t +

Corpo Nero e Superficie Opaca

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore DE LICAE UTILITATI . UNIVERSE NOUSH . SCIENTLA Coefficienti Totali ed Emisferici a+ p+t=1 ! Se: a = 1 p=1 t =1 Il corpo assorbe completamente la radiazione incidente su di esso ! Ï Il corpo riflette completamente la radiazione incidente su di esso Il corpo trasmette completamente la radiazione incidente su di esso CORPO NERO - Assorbitore perfetto t= 0 Superficie opaca Prof. Giuseppe Peter Vanoli 15/33

Coefficienti Monocromatici o Spettrali

Università degli Studi del Molise - Corso di Laurea in Ingegneria Medica Fisica Tecnica e Trasmissione del Calore E UTILIIATT . UNIVERS 1 . SCIENTZ Coefficienti Monocromatici o Spettrali: Alcuni materiali presentano caratteristiche di emissione, assorbimento e trasmissione variabili con A. Assorbimento G a,2 a2 = G2 2 a = + Gada - +00 G.da 0 → Riflessione G r,2 [0;1] G2 2 Trasmissione G. [0;1 ] Ga,a a,1 G. r,a G. a2 + P2 + +2 = + + t,2 =1 G2 2 G G2 2 a2 + P2 + +2 =1 Prof. Giuseppe Peter Vanoli 16/33

0 = 1. So Garda +00 a Gada [0;1 ] Pa= τ = 2 t,2 G2 2 0 A