Glosář: Tepelné záření a infračervená energie

Co je tepelné záření?

Tepelné záření se týká emise elektromagnetického záření všemi hmotnými objekty, které mají teplotu nad absolutní nulou (-273,15 °C nebo 0 Kelvin). Toto záření je výsledkem tepelného pohybu nabitých částic v hmotě a sahá přes celé elektromagnetické spektrum. Při typických teplotách Země je většina tepelného záření soustředěna v infračerveném spektru.

Základní zákony tepelného záření:

Tepelné záření je vysvětleno několika klíčovými fyzikálními zákony:

• Planckův zákon: Popisuje intenzitu záření emitovaného černým tělem (ideálním emitentem) přes různé vlnové délky při dané teplotě.
• Stefanův-Boltzmannův zákon: Uvádí, že celková energie vyzařovaná černým tělem je úměrná čtvrté mocnině jeho absolutní teploty: [ E = \sigma T^4 ] Kde (E) je vyzařovaná energie, (\sigma) je Stefanův-Boltzmannův konstant, a (T) je teplota v Kelvinech.
• Wienův posunovací zákon: Stanoví vztah mezi teplotou objektu a vlnovou délkou, při které emituje nejvíce záření: [ \lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T} ] Kde (\lambda_{\text{max}}) je vrcholová vlnová délka, (b) je Wienův posunovací konstant, a (T) je absolutní teplota.

Klíčové vlastnosti tepelného záření:

1. Emise při jakékoli teplotě nad absolutní nulou: Každý objekt emituje tepelné záření, pokud jeho teplota je nad -273,15 °C.
2. Dominance infračerveného spektra: Při mírných teplotách většina emitovaného záření spadá do infračerveného spektra.
3. Spektrum závislé na teplotě: Jak teplota objektu roste, vrcholová vlnová délka jeho emitovaného záření se posouvá k kratším vlnovým délkám (např. z infračerveného do viditelného světla).

Například:

• Žárování: Při vysokých teplotách (nad 525 °C nebo 977 °F) objekty, jako je kov, emitují viditelné světlo a zdají se žhnout.

Co je infračervená energie?

Infračervená energie je segment elektromagnetického spektra umístěný mezi viditelným světlem a mikrovlnami. Jeho vlnové délky se pohybují od přibližně 0,7 mikronů do 1 000 mikronů (1 mikron = 1 miliontinou metru). Zatímco infračervené světlo je pro lidské oko neviditelné, může být detekováno jako teplo.

Rozdělení infračerveného spektra:

1. Blízká infračervená oblast (NIR): 0,7 až 1,4 mikronů – Nejbližší k viditelnému světlu.
2. Střední infračervená oblast (MIR): 1,4 až 8 mikronů – Ideální pro studium tepelného záření a rozložení tepla.
3. Vzdálená infračervená oblast (FIR): 8 až 15 mikronů – Často označovaná jako tepelné infračervené, protože je úzce spojena s tepelným zářením z povrchů.

Objev infračervené záření:

Infračervené záření bylo objeveno v roce 1800 Williamem Herschelem. Měřením teplot různých barev ve viditelném spektru zjistil, že oblast za červenou (neviditelnou pro lidské oko) vykazuje ještě vyšší teploty, a tak identifikoval infračervené světlo.

Jak je detekováno tepelné záření a infračervená energie

K detekci vlnových délek spojených s tepelným zářením a infračervenou energií jsou zapotřebí specializovaná zařízení.

Pasivní infračervené senzory (PIR senzory):

• Operace: PIR senzory detekují změny v infračerveném záření v jejich zorném poli. Když se objekt (např. člověk nebo zvíře) pohybuje přes detekční rozsah, senzor identifikuje změny v okolní tepelné energii.
• Aplikace:
• Bezpečnostní systémy a poplašné systémy.
• Pohybové osvětlení.
• Monitorování divoké zvěře pomocí kamer s pohybovým senzorem.

Infračervené kamery:

• Tepelné zobrazování: Infračervené kamery zachycují obrazy založené na teplotních rozdílech. Teplejší objekty se objevují jasněji, zatímco chladnější objekty se objevují tmavěji.
• Aplikace:
• Průmysl: Detekce úniků tepla a kontrola elektrického zařízení.
• Lékařství: Monitorování tělesné teploty a identifikace zánětů.
• Pozorování divoké zvěře: Identifikace zvířat v temnotě nebo husté vegetaci.

Reálné aplikace tepelného záření a infračervené energie

Monitorování divoké zvěře pomocí kamer s pohybovým senzorem

Kamery vybavené PIR senzory a infračervenými zobrazovacími schopnostmi jsou nezbytné pro pozorování divoké zvěře. Infračervené LED diody poskytují osvětlení, které je neviditelné pro zvířata, což umožňuje diskrétní provoz v úplné tmě.

• Příklad: Kamera s pohybovým senzorem detekuje pohyb nočního predátora, jako je liška, pomocí svého PIR senzoru. Kamera poté pořídí snímek nebo video, které je osvětleno infračerveným světlem.

Průzkum vesmíru

Infračervené teleskopy, jako je James Webb Space Telescope (JWST), umožňují astronomům studovat nebeské objekty, které emitují především v infračerveném rozsahu, jako jsou chladné hvězdy a planetární systémy.

• Příklad: Orionova mlhovina odhaluje tisíce planetárních disků při pozorování pomocí infračerveného zobrazování.

Tepelné zobrazování při hašení požárů

Infračervené kamery pomáhají hasičům lokalizovat horká místa, uvězněné osoby nebo doutnající uhlíky skrz kouř a tmu.

Pozorování Země

Satellity vybavené infračervenými senzory monitorují jevy, jako jsou lesní požáry, sopečná činnost a globální změny teploty, což přispívá k výzkumu klimatu.

• Příklad: NASA přístroj MODIS používá infračervené údaje k detekci aktivních lesních požárů.

Technické podrobnosti tepelného záření

Planckův zákon:

Popisuje rozložení intenzity záření přes vlnové délky pro černé tělo při dané teplotě.

Stefanův-Boltzmannův zákon:

Ukazuje vztah mezi celkovou emitovanou energií a teplotou objektu, zdůrazňující, že teplejší objekty emitují exponenciálně více energie.

Wienův posunovací zákon:

Vysvětluje, jak se vrcholová vlnová délka emitovaného záření mění s teplotou, ilustruje, proč teplejší objekty vypadají jasněji a modřeji.

Příklady použití

1. Domácí bezpečnost: PIR senzory v pohybových světlech detekují vetřelce a osvětlují oblasti bez potřeby viditelného světla.
2. Energetické audity: Tepelné zobrazovací kamery identifikují mezery v izolaci a úniky tepla v budovách.
3. Výzkum divoké zvěře: Kamery s pohybovým senzorem pozorují nepolapitelné druhy bez rušení jejich přirozeného chování.
4. Lékařská diagnostika: Infračervená termografie detekuje záněty nebo špatnou cirkulaci krve.
5. Astronomie: Infračervené teleskopy odhalují skryté detaily galaxií a mlhovin.

Navrhované vizuály pro vysvětlení

1. Diagram elektromagnetického spektra: Zdůrazňující umístění infračerveného záření vzhledem k viditelnému světlu a jiným vlnovým délkám.
2. Příklad tepelného obrazu: Zobrazující tepelnou stopu živého organismu nebo budovy.
3. Infračervená detekce v kamerách divoké zvěře: Ilustrace toho, jak PIR senzory detekují pohyb a spouštějí záznam.
4. Křivka černého tělesa: Demonstrující, jak teplota ovlivňuje spektrum emitovaného záření.