TEPLO, SVĚTLO, ENERGIE

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

CZ.1.07/1.1.00/08.0010

TEPLO, SVĚTLO, ENERGIE PETR NOVOTNÝ PETR ŠVARC

TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Teplo, světlo, energie. KATEDRA ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ 1.3.2011

1

KATEDRA ENERGETICKÝCH ZAŘÍZENÍ

Kontakt: [email protected]

Kontakt: [email protected]

2

Technický pokrok si lze představit různě, vždy je spojen s energií

3

Většina energie pochází ze Slunce Ø Elektromagnetické spektrum vyzařované

sluncem za hranicemi viditelného světla kontinuálně pokračuje, záleží na atmosférické propustnosti

Atmosférická transmitace, propustnost, přenos

4

Atmosféra nás chrání před nebezpečným zářením, ale zároveň nám brání sledovat celkově dění ve vesmíru ze Země

5

Elektromagnetické spektrum Ø Vlnová délka nám říká, jak

„dlouhá je vzdálenost mezi dvěma hřbety vln“. Analogickou veličinou je frekvence – veličina říkající nám, kolikrát vlna kmitne za 1 sekundu. C – rychlost šíření vlnění f - frekvence

6

Elektromagnetické spektrum Ø Roztřídíme-li

si vlnové délky záření vydávaného určitým zdrojem a zjistíme-li si intenzity záření na těchto jednotlivých vlnových délkách, dostaneme tzv. spektrum.

7

Elektromagnetické spektrum Ø Na obrázku je schematicky naznačen obor

vlnových délek celého spektra

8

Elektromagnetické spektrum Ø elektromagnetického spektra – od

nejkratších po ty nejdelší. Uzounkou oblast mezi 400 až 700 nm můžeme vnímat zrakem a tento obor elektromagnetického záření jsme nazvali světlo.

9

Terminologie Ø termíny pro záření ultrafialové („nad

fialovou“, zkratka UV z anglického ultraviolet) a infračervené („pod červenou“, zkratka IR z anglického infrared). Připomeňme ještě, že UV záření má větší energii než světlo a IR záření menší energii.

10

Terminologie Ø Infračervené záření (IR) je

elektromagnetické záření s vlnovou délkou mezi 0,7 až 300 mikrometrů , což se rovná frekvenčnímu rozsahu od přibližně 1 a 430 THz Ø 1THz = 1012 Hz

11

Terminologie Ø Terahertzové záření, T-paprsky i

terahertzové paprsky , anglicky T-rays je označení pro oblast elektromagnetického spektra ležící mezi mikrovlnným a infračerveným zářením.

12

Terminologie

ØTerahertzové vlny proniknou

oblečením, papírem, dřevem, zdivem, umělou hmotou i keramikou (bezpečnostní technika, medicína atd). 13

Terminologie Ø Jasné sluneční světlo poskytuje ozáření

jen přes 1 kilowatt na metr čtvereční na úrovni moře. Ø Z této energie je 527 wattů infračervené záření, 445 wattů je viditelné světlo a 32 wattů je ultrafialové záření.

14

Terminologie Rekapitulace Ø Infračervená energie je jen jednou částí

elektromagnetického spektra , která zahrnuje tato záření; gama záření , roentgenovy x-paprsky , ultrafialové , tenká oblast viditelného světla , infračerveného záření, terahertzové vlny , mikrovlny a rádiové vlny .

15

Terminologie Ø infračervené záření

úzce souvisí s vjemem

tepla Ø tzv. absolutně černé těleso energii pouze vyzařuje a neodráží Ø Z vnějšku dodaná energie do tělesa (např. chemická reakce (hoření), použitá k jeho ohřevu) způsobí zvýšení intenzity pohybu molekul tvořící těleso. 16

Terminologie kondukce Ø Přenos tepla l

vedením (kondukce)

Jde vlastně v našem příkladě o přenos vibrací (kmitání) atomů pevných těles, čímž dochází k pohybu energie od teplejšího konce směrem ke studenějšímu. Fourierův zákon toku tepla vedením

Q/A = k. (ΔT) / L Q je tok tepla na jednotku plochy A 17

Terminologie konvekce Ø Přenos tepla prouděním (konvekce) l

Nucené proudění se uplatňuje, kdy vnější zdroj, jako např. ventilátor chlazení (topení), uvádí tekutinu do pohybu.

18

Terminologie radiace Ø Přenos tepla zářením(radiací) l

Rychleji kmitající a vibrující částice mají teď více energie, jsou proto méně stabilní a rády by se této přebytečné energie zbavily. Jak to udělají? Vyzáří ji! Při vzájemných srážkách molekuly přecházejí na nižší vibrační a rotační energetické hladiny a přebytečnou energii vyzařují do okolního prostředí jako záření.

19

Terminologie radiace Ø hodně rozkmitané atomy a molekuly vyzařují

vysokoenergetické kvanta, tj. viditelné světlo a UV záření. Málo rozkmitané molekuly vyzařují nízkoenergetické kvanta, tj. IR záření.

20

Terminologie radiace Ø může procházet vakuem, Ø uskutečňuje se elektromagnetickou emisí a

absorpcí, Ø probíhá rychlostí světla a chová se jako světlo, Ø Tepelná radiační energie přenášená mezi dvěma povrchy je úměrná třetí mocnině tepelného rozdílu mezi oběma povrchy. 21

Terminologie radiace Ø

Důsledek je následující: při absolutní nule by se zastavil pohyb atomů a molekul a těleso by nevydávalo žádné elektromagnetické záření. Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula, však vyzařuje elektromagnetické záření. Vlnová délka tohoto záření závisí na teplotě. Čím je teplota tělesa vyšší, tím je vlnová délka vydávaného záření kratší. Při nízkých teplotách vydává těleso tzv. daleké IR záření.

22

Infračervené záření Pro infračervené záření platí stejné zákony jako pro světlo, což umožňuje konstrukci optických soustav, v nichž se používají optické prvky (čočky, …) zhotovené ze speciálních materiálů . Díky tomu, že infračervené záření vyzařují prakticky všechna tělesa, lze použít infračervený dalekohled i k pozorování ve tmě.

23

Infračervené záření Infračervené záření také snadněji proniká zakaleným prostředím (mlha, atmosféra Země, …) než světlo. Známé jsou např. snímky povrchu Země pořízené meteorologickými družicemi.

24

Infračervené záření Zkoumání vesmíru

25

Infračervené záření Povrchy těles zahřívá absorpce libovolného elektromagnetického záření. IR záření zapříčiňuje pouze přibližně 50 % zahřívání zemského povrchu, zbytek je způsoben viditelným světlem. Je však pravdou, že objekty při pokojové teplotě emitují nejvíce záření v infračerveném pásmu 8–12 µm. 26

Infračervené záření Tepelné záření (též infračervené záření) je jeden ze způsobů šíření tepla, při kterém každé těleso s teplotou vyšší než okolí vyzařuje teplo a každé těleso s teplotou nižší než okolí pohlcuje teplo. Tepelná energie je přenášena ve formě elektromagnetického záření. V souvislosti s tepelným zářením se také hovoří o sálání. 27

Infračervené záření Vlastnosti Na rozdíl od přenosu tepla vedením nebo prouděním se může prostřednictvím záření teplo přenášet i ve vakuu, tzn. bez zprostředkování přenosu látkovým prostředím. Tepelné záření se nejlépe šíří ve vakuu.

28

Infračervené záření Vlastnosti Množství vyzařovaného a přijímaného tepla závisí na rozdílu teplot tělesa a okolí a na barvě povrchu tělesa (tmavá a matná tělesa vyzařují a přijímají více tepla, světlá a lesklá tělesa vyzařují a přijímají méně tepla).

29

Kamera Zvláštní kamera dokáže detekovat záření podobným způsobem jako běžný fotoaparát viditelné světlo. Ø Funguje to dokonce i v úplné tmě, protože na úrovňi osvětlení nezáleží. Ø

30

Kamera Ø

Nejčastější aplikace: preventivní a prediktivní údržba měření teplotních úniků (izolačních vlastností staveb) nedestruktivní zkoušení (NDT) kontroly technologických procesů bezpečnost (ostraha perimetru, noční pozorování) detekce osob se zvýšenou tělesnou teplotou zdravotnictví ochrana životního prostředí věda, výzkum aj.

31

Kamera infračervené kamery mají tendenci být jednobarevné, protože kamery jsou obecně určeny pouze jeden typ čidla reagující na jedno vlnové spektrum infračerveného záření. Ø Jejich rozlišení je výrazně nižší než optických kamer, většinou jen 160x120 nebo 320x240 pixelů. Ø Obrázky z

32

33

Nepravé pseudo barvy Ø Někdy tyto černobílé snímky jsou

zobrazeny v pseudo-barvách.

34

Nepravé pseudo barvy Ø Někdy tyto černobílé snímky jsou

zobrazeny v pseudo-barvách.

35

Základní rozdělení kamer Øs

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

Teoretické základy termovizních měření Ø Planckův

vyzařovací zákon Ø Wienův zákon Ø Stefanův - Boltzmannův zákon Ø 1. a 2. Kirchhoffův zákon

37

Planckův vyzařovací zákon oscilátor může vyměňovat energii s okolím jen nespojitě po jistých kvantech. Ø Na základě představy, že těleso se skládá z velkého množství takovýchto oscilátorů, odvodil zákon záření absolutně černého tělesa. Ø Harmonický

38

Planckův vyzařovací zákon

E –spektrální hustota zářivého toku černých objektů do poloprostoru,

39

Wienův zákon Ø rostoucí

teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku Eoλ ke kratším vlnovým délkám

40

Stefanův - Boltzmannův zákon Ø integrací

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

Stefanův - Boltzmannův zákon ØV

tabulkách lze nalézt emisivitu do poloprostoru a ve směru normály. Ø Zdroje, které září rovnoměrně do všech směrů poloprostoru se nazývají Lambertovy. Ø Protikladem jsou laserové zdroje, které vyzařují jen úzký svazek paprsků.

42

První Kirchhoffův zákon Ø Zabývá

se interakcí záření s objektem a říká, že : l

l l

l

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

Druhý Kirchhoffův zákon Ø Objekt

je tak dokonalým zářičem, jak dovede záření pohlcovat Ø 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

Rozbor záření při měření termovizní kamerou Ø 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

Měření objektů Ø kameře

nastavíme vhodný rozsah teplot T

[K], Ø sledovaný objekt má být v zorném poli kamery co největší Ø třeba znát emisivitu ε [-] Ø a střední radiační teploty okolního prostředí Ø je třeba odclonit záření okolí

46

Kamera použití Ø Špatná elektro-instalace

47

Měření objektů

48

Měření v místnosti Špatná montáž plastových oken na kolejích TU Liberec

49

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

50

Měření objektů

Menza TU Liberec ocelová okna

Blok kolejí A

Zataženo bezvětří po sněhové přeháňce teplota +1°C

51

Měření objektů Měření v noci

52

Měření objektů Ø částečně

neprůteplivém prostředí -v mlze, dešti nebo při sněžení zmenšuje přesnost měření, a proto není vhodné měřit

53

Přesná termovizní měření Ø Pokud

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

54

Ø Zdravotnictví

55

Pokovená okna jsou jako tepelné zrcadlo

Max teplota 16,1°C min teplota 6,5°C rozsah -20°C až +100°C 56

Děkujeme za pozornost

57