तापीय विकिरण: ऊर्जा स्थानांतरण और सतह के प्रभाव
जानें कि तापीय विकिरण विद्युतचुंबकीय तरंगों के माध्यम से ऊर्जा कैसे स्थानांतरित करता है और अवशोषण, परावर्तन, उत्सर्जन, तापमान तथा सतह के गुण इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करते हैं।
दो एक जैसे धातु के डिब्बे एक अवरक्त हीटर से समान दूरी पर रखे हैं। एक पर फीकी, गहरे रंग की सतह की परत चढ़ी है। दूसरे को इतना पॉलिश किया गया है कि वह छोटे दर्पण जैसा दिखता है। कौन-सा डिब्बा अधिक तेजी से गर्म होगा?
आप शायद गहरे रंग वाले डिब्बे का अनुमान लगाएँगे, क्योंकि “काली चीज़ें ऊष्मा अवशोषित करती हैं”। यह अनुमान उपयोगी है, लेकिन इसकी भाषा को ठीक करने की ज़रूरत है। डिब्बा किसी पदार्थ की तरह ऊष्मा को अवशोषित नहीं करता। वह विद्युतचुंबकीय विकिरण को अवशोषित करता है, जो ऊर्जा को डिब्बे में स्थानांतरित करता है। सतह यह निर्धारित करती है कि आने वाले विकिरण का कितना भाग अवशोषित, परावर्तित या पारगमित होता है।
अब दोनों डिब्बों के समान उच्च तापमान तक पहुँचने के बाद हीटर बंद कर दें। कौन-सा डिब्बा विकिरण द्वारा अधिक तेजी से ऊर्जा खोएगा?
आमतौर पर आश्चर्यजनक उत्तर फिर वही फीकी, अत्यधिक अवशोषक सतह है। जो सतह किसी विशेष तरंगदैर्ध्य पर अच्छी अवशोषक होती है, वह उसी तरंगदैर्ध्य पर अच्छी उत्सर्जक भी होती है। वही सतही गुण जिसने ऊर्जा को अंदर जाने में मदद की थी, ऊर्जा को बाहर निकलने में भी मदद कर सकता है।
यही विचार तापीय विकिरण को समझने की कुंजी है।
01विकिरण अंतराल के पार पदार्थ को ले जाए बिना ऊर्जा स्थानांतरित करता है
मान लीजिए आप किसी गर्म बारबेक्यू के पास बिना उसे छुए खड़े हैं। गर्म हवा आपकी ओर न बह रही हो, तब भी आप अपनी त्वचा तक ऊर्जा पहुँचती हुई महसूस कर सकते हैं।
बिना संपर्क के वायु-अंतराल के पार इस ऊर्जा स्थानांतरण को चालन नहीं समझा सकता। यदि गर्म हवा आपकी ओर चलती है तो संवहन भी योगदान दे सकता है, लेकिन एक और तंत्र है: तापीय विकिरण।
तापीय विकिरण वह विद्युतचुंबकीय विकिरण है जो पदार्थ अपने तापमान के कारण उत्सर्जित करता है। सभी विद्युतचुंबकीय विकिरण की तरह, यह निर्वात से होकर यात्रा कर सकता है। गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु तक किसी कण का जाना आवश्यक नहीं है।
इसी कारण ऊर्जा सूर्य से पृथ्वी तक लगभग खाली अंतरिक्ष को पार करके पहुँच सकती है।
परम शून्य से ऊपर की हर वस्तु विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करती है। एक सामान्य मेज़, आपका हाथ, बर्फ का टुकड़ा और सूर्य-सभी तापीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं। महत्वपूर्ण अंतर यह है कि वे कितना विकिरण उत्सर्जित करते हैं और उस विकिरण का अधिकांश भाग किन तरंगदैर्ध्यों पर होता है।
रोज़मर्रा के तापमानों पर अधिकांश तापीय विकिरण अवरक्त होता है, इसलिए आपकी आँखें उसे नहीं देख सकतीं। किसी वस्तु को पर्याप्त गर्म कर दें तो उसके उत्सर्जन का कुछ भाग दृश्य परास में आ जाता है। जब कोई धातु का अवयव मंद लाल चमकना शुरू करता है, तो इसका अर्थ यह नहीं है कि उसने उसी समय विकिरण करना शुरू किया है। वह तब भी विकिरण कर रहा था जब आप उसे देख नहीं सकते थे।
02जब विकिरण किसी सतह तक पहुँचता है तो क्या होता है?
आने वाले विकिरण की कल्पना ऐसे समूह के रूप में करें जो बहुत चयनात्मक पार्टी में पहुँच रहा है।
कुछ भाग अवशोषित हो जाता है और वहीं रह जाता है। कुछ भाग परावर्तित होकर सीधे बाहर लौट जाता है। कुछ पदार्थों में, कुछ भाग उनके आर-पार पारगमित हो जाता है।
यह उपमा उपयोगी है क्योंकि आने वाली ऊर्जा को कहीं न कहीं जाना ही होता है। लेकिन इसकी सीमा यह है कि वास्तविक विद्युतचुंबकीय तरंगें दरवाज़े पर कोई एक स्थायी निर्णय नहीं लेतीं। सतह का व्यवहार तरंगदैर्ध्य, पदार्थ, सतह की अवस्था और कभी-कभी आपतन कोण पर निर्भर करता है।
हम इन तीन संभावनाओं को भिन्नों के रूप में व्यक्त करते हैं:
- अवशोषकता, \(\alpha\): आपतित विकिरण शक्ति का वह अंश जो अवशोषित होता है
- परावर्तकता, \(\rho\): वह अंश जो परावर्तित होता है
- पारगम्यता, \(\tau\): वह अंश जो पारगमित होता है
ऊर्जा संरक्षण से
\[ \alpha + \rho + \tau = 1 \]
इन राशियों की कोई इकाई नहीं होती, क्योंकि ये भिन्न हैं।
किसी अपारदर्शी वस्तु में लगभग कोई विकिरण उसके आर-पार पारगमित नहीं होता, इसलिए \(\tau \approx 0\)। तब संबंध बन जाता है
\[ \alpha + \rho \approx 1 \]
इससे एक महत्वपूर्ण संतुलन बनता है। यदि कोई अपारदर्शी सतह आने वाले विकिरण के बड़े अंश को परावर्तित करती है, तो उसे छोटा अंश ही अवशोषित करना होगा।
चमकदार और फीकी सतहों के बारे में क्या?
तापीय-विकिरण के प्रयोगों में उपयोग होने वाली कई सामान्य सतहों के लिए:
| सतह | अवशोषण | परावर्तन | तापीय उत्सर्जन |
|---|---|---|---|
| फीकी, प्रबल अवशोषक सतह | उच्च | निम्न | उच्च |
| पॉलिश की हुई धात्विक सतह | निम्न | उच्च | निम्न |
यह तालिका एक उपयोगी HSC मॉडल है, दृश्य रंग के बारे में कोई सार्वभौमिक नियम नहीं।
कोई सतह अलग-अलग तरंगदैर्ध्यों पर अलग तरह से व्यवहार कर सकती है। कोई वस्तु दृश्य प्रकाश को परावर्तित करने के कारण सफेद दिख सकती है, फिर भी वह अवरक्त विकिरण को प्रबल रूप से अवशोषित या उत्सर्जित कर सकती है। जो चीज़ आपकी आँखों को काली दिखाई देती है, वह मुख्य रूप से विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में उसके व्यवहार के बारे में बताती है।
तापीय अभियांत्रिकी में तरंगदैर्ध्य पर यह निर्भरता महत्वपूर्ण हो जाती है।
03विकिरण का अवशोषण आंतरिक ऊर्जा बढ़ाता है
मान लीजिए 100 J ऊर्जा वाला विद्युतचुंबकीय विकिरण किसी अपारदर्शी सतह तक पहुँचता है और उसकी अवशोषकता \(0.70\) है।
सतह अवशोषित करती है
\[ E_{\text{absorbed}} = 0.70(100\text{ J}) = 70\text{ J} \]
यदि पारगमन नगण्य है, तो शेष 30 J परावर्तित हो जाता है।
अवशोषित 70 J का क्या होता है?
यह वस्तु की आंतरिक ऊर्जा में योगदान देता है। इससे वस्तु का तापमान बढ़ सकता है, अवस्था परिवर्तन हो सकता है, या यह ऊर्जा चालन, संवहन अथवा आगे के विकिरण द्वारा कहीं और स्थानांतरित हो सकती है।
यहाँ भाषा का सावधानी से उपयोग करें। किसी वस्तु में आंतरिक ऊर्जा होती है। ऊष्मा तापमान के अंतर के कारण स्थानांतरित होने वाली ऊर्जा को कहते हैं।
हल किया हुआ उदाहरण: कितनी विकिरण ऊर्जा अवशोषित होती है?
एक अवरक्त लैम्प \(30\text{ s}\) तक किसी सेंसर को \(40\text{ W}\) विकिरण शक्ति देता है। लैम्प के तरंगदैर्ध्यों पर सेंसर की सतह की अवशोषकता \(0.75\) है। सेंसर कितनी ऊर्जा अवशोषित करता है?
चरण 1
आपतित शक्ति \(P_{\text{inc}} = 40\text{ W}\) है, और अवशोषकता \(\alpha = 0.75\) है।
\[ P_{\text{abs}} = \alpha P_{\text{inc}} = 0.75(40\text{ W}) = 30\text{ W} \]
अतः सेंसर \(30\text{ J s}^{-1}\) की दर से ऊर्जा अवशोषित करता है।
चरण 2
शक्ति प्रति इकाई समय स्थानांतरित ऊर्जा है:
\[ P = \frac{E}{t} \]
अतः
\[ E = Pt \]
जहाँ \(E\) जूल में ऊर्जा है, \(P\) वाट में शक्ति है और \(t\) सेकंड में समय है।
मान रखने पर,
\[ E_{\text{abs}} = (30\text{ W})(30\text{ s}) = 900\text{ J} \]
सेंसर 900 J विकिरण ऊर्जा अवशोषित करता है।
इसका यह अर्थ आवश्यक नहीं है कि उसकी आंतरिक ऊर्जा 900 J बढ़ जाती है। विकिरण को अवशोषित करते समय वह विकिरण उत्सर्जित भी कर सकता है या चालन और संवहन द्वारा ऊर्जा खो सकता है।
04उत्सर्जन और अवशोषण एक ही समय पर होते हैं
एक सामान्य गलती यह मानना है कि गर्म वस्तु विकिरण उत्सर्जित करती है जबकि ठंडी वस्तु केवल उसे अवशोषित करती है।
दोनों वस्तुएँ उत्सर्जन और अवशोषण करती हैं।
एक गर्म मग को ठंडे कमरे में रखें। मग कमरे की ओर तापीय विकिरण उत्सर्जित करता है, लेकिन दीवारें, मेज़ और कमरे की बाकी सभी वस्तुएँ भी मग की ओर विकिरण उत्सर्जित करती हैं।
तो मग ठंडा क्यों होता है?
क्योंकि मग अधिक गर्म है। वह अपने ठंडे परिवेश से जितनी दर पर विकिरण ऊर्जा अवशोषित करता है, उससे अधिक दर पर विकिरण ऊर्जा उत्सर्जित करता है। इसलिए मग से बाहर ऊर्जा का शुद्ध स्थानांतरण होता है।
यदि हम केवल विकिरण पर ध्यान दें,
\[ P_{\text{net,in}} = P_{\text{abs}} - P_{\text{emit}} \]
जहाँ \(P_{\text{abs}}\) अवशोषित विकिरण शक्ति है और \(P_{\text{emit}}\) उत्सर्जित विकिरण शक्ति है।
यदि \(P_{\text{net,in}}>0\), तो वस्तु विकिरण द्वारा ऊर्जा प्राप्त करती है।
यदि \(P_{\text{net,in}}<0\), तो वह विकिरण द्वारा ऊर्जा खोती है।
तापीय साम्य पर शुद्ध स्थानांतरण शून्य होता है। इसका यह अर्थ नहीं है कि विकिरण रुक गया है। ऊर्जा दोनों दिशाओं में समान दरों से लगातार आदान-प्रदान होती रहती है।
हल किया हुआ उदाहरण: वस्तु ऊर्जा प्राप्त कर रही है या खो रही है?
एक पैनल \(150\text{ W}\) अवरक्त विकिरण प्राप्त करता है। इन तरंगदैर्ध्यों पर उसकी अवशोषकता \(0.80\) है। उसी समय पैनल \(65\text{ W}\) तापीय विकिरण उत्सर्जित करता है। चालन और संवहन को नज़रअंदाज़ करें।
\(48\text{ s}\) में पैनल की शुद्ध विकिरणीय ऊर्जा में परिवर्तन ज्ञात करें।
चरण 1
\[ P_{\text{abs}}=\alpha P_{\text{inc}} =(0.80)(150\text{ W}) =120\text{ W} \]
पैनल \(120\text{ W}\) अवशोषित करता है।
चरण 2
\[ P_{\text{net,in}} =P_{\text{abs}}-P_{\text{emit}} =120\text{ W}-65\text{ W} =55\text{ W} \]
धनात्मक परिणाम का अर्थ है कि पैनल विकिरण द्वारा ऊर्जा प्राप्त कर रहा है।
चरण 3
\[ E_{\text{net}} =P_{\text{net,in}}t =(55\text{ W})(48\text{ s}) =2640\text{ J} \]
अतः \(48\text{ s}\) के अंतराल में पैनल विकिरण द्वारा
\[ \boxed{2.64\times10^3\text{ J}} \]
ऊर्जा प्राप्त करता है।
महत्वपूर्ण विचार ऊर्जा-संतुलन है। कोई पिंड लगातार ऊर्जा उत्सर्जित करते हुए भी गर्म हो सकता है, यदि वह उससे भी अधिक तेजी से ऊर्जा अवशोषित कर रहा हो।
05अच्छे अवशोषक अच्छे उत्सर्जक होते हैं, लेकिन एक महत्वपूर्ण शर्त के साथ
दोनों धातु के डिब्बों पर फिर लौटें।
फीकी सतह विकिरण के अधीन अधिक तेजी से गर्म भी क्यों हो सकती है और विकिरण द्वारा अधिक तेजी से ठंडी भी क्यों हो सकती है?
तापीय साम्य में किसी सतह के लिए, किसी विशेष तरंगदैर्ध्य पर अच्छे अवशोषक उसी तरंगदैर्ध्य पर अच्छे उत्सर्जक भी होते हैं। यह संबंध तापीय विकिरण के Kirchhoff के नियम से जुड़ा है।
“उसी तरंगदैर्ध्य पर” वाली शर्त महत्वपूर्ण है।
मान लीजिए कोई लेप अधिकांश दृश्य सूर्यप्रकाश को परावर्तित करता है, लेकिन अवरक्त विकिरण को प्रबल रूप से उत्सर्जित करता है। इसमें कोई विरोधाभास नहीं है। आने वाला सौर विकिरण और वस्तु का बाहर जाने वाला तापीय विकिरण अलग-अलग तरंगदैर्ध्य परासों में होते हैं।
इसी कारण यह संक्षिप्त नियम
काला = अवशोषक, चमकदार = परावर्तक
केवल एक प्रारंभिक मॉडल है।
एक बेहतर प्रश्न है:
जिन तरंगदैर्ध्यों की बात हो रही है, उन पर यह सतह कितनी प्रबलता से अवशोषित, परावर्तित और उत्सर्जित करती है?
यह रूप कठिन HSC प्रश्नों में भी सही बना रहता है।
06तापमान भी विकिरण को बदलता है
सतह के गुण कहानी का केवल एक भाग हैं। तापमान का प्रभाव बहुत प्रबल होता है।
जैसे-जैसे किसी वस्तु का परम तापमान बढ़ता है:
- वह कुल मिलाकर अधिक तापीय विकिरण उत्सर्जित करती है
- उत्सर्जित तरंगदैर्ध्यों का वितरण बदलता है
- जिस तरंगदैर्ध्य पर उत्सर्जन सबसे अधिक होता है, वह छोटे तरंगदैर्ध्यों की ओर खिसकता है
यह समझने के लिए इस विचार की आवश्यकता नहीं है कि विकिरण निर्वात को क्यों पार कर सकता है, लेकिन यह ऐसी प्रेक्षणों को समझाता है जैसे गर्म होती धातु का अदृश्य अवरक्त उत्सर्जन से दृश्य लाल चमक में बदलना।
यह एक और भ्रांति से भी बचाता है: फीकी काली वस्तु हर चमकदार वस्तु की तुलना में अपने-आप अधिक कुल विकिरण उत्सर्जित नहीं करती। तापमान महत्वपूर्ण है। एक ठंडी काली प्लेट बहुत अधिक गर्म पॉलिश की हुई वस्तु की तुलना में कम कुल शक्ति उत्सर्जित कर सकती है।
सतहों की तुलना करते समय अन्य महत्वपूर्ण चर, विशेष रूप से तापमान और क्षेत्रफल, समान रखें।
07सतह क्षेत्रफल कुल स्थानांतरण को बदलता है
एक ही पदार्थ से बनी और समान तापमान पर रखी दो वस्तुओं की कल्पना करें। एक का खुला सतह क्षेत्रफल दूसरी से दोगुना है।
सतह का प्रत्येक छोटा भाग विकिरण उत्सर्जित कर सकता है, इसलिए बड़ी वस्तु अधिक कुल विकिरण शक्ति उत्सर्जित कर सकती है।
इसीलिए सतह की फिनिश की तुलना करने वाला निष्पक्ष प्रयोग इन बातों को नियंत्रित रखेगा:
- तापमान
- खुला सतह क्षेत्रफल
- स्रोत से दूरी और उसके सापेक्ष अभिविन्यास
- जहाँ प्रासंगिक हो, लेप के नीचे का पदार्थ
- परिवेश की स्थितियाँ
यदि कई चर एक साथ बदलते हैं, तो आप विश्वासपूर्वक यह नहीं कह सकते कि देखे गए अंतर का कारण कौन-सा चर था।
08जिस भ्रांति से बचना है: “काली वस्तुएँ ऊष्मा अवशोषित करती हैं”
यह वाक्य अक्सर गलत कारण के आधार पर सही अनुमान तक पहुँचा देता है।
तीन सुधार इसे भौतिकी की दृष्टि से कहीं अधिक सटीक बनाते हैं।
पहला, वस्तु विकिरण को अवशोषित करती है, जिससे ऊर्जा उसकी आंतरिक ऊर्जा में स्थानांतरित होती है।
दूसरा, “काला” आमतौर पर दृश्य स्पेक्ट्रम में आपकी आँखों को दिखाई देने वाले रंग का वर्णन करता है। सामान्य वस्तुओं का तापीय विकिरण मुख्यतः अवरक्त होता है।
तीसरा, अवशोषण ऊर्जा-विनिमय का केवल एक पक्ष है। वस्तु विकिरण उत्सर्जित भी कर रही होती है।
इसलिए यदि एक फीका काला और एक पॉलिश किया हुआ धातु का पात्र समान अवरक्त स्रोत के नीचे रखे जाएँ, तो फीकी सतह अधिक तेजी से ऊर्जा अवशोषित कर सकती है। यदि फिर दोनों को समान तापमान तक गर्म करके ठंडे परिवेश में रखा जाए, तो वही फीकी सतह विकिरण द्वारा अधिक तेजी से ऊर्जा खो भी सकती है।
सतह ने अपना काम नहीं बदला। अवशोषण और उत्सर्जन परस्पर जुड़े हुए गुण हैं।
09प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
एक अंतरिक्षयान ऐसे क्षेत्र से यात्रा कर रहा है जहाँ प्रभावी रूप से कोई वायुमंडल नहीं है। एक इलेक्ट्रॉनिक घटक गर्म हो जाता है। समझाइए कि क्या वह अंतरिक्ष में तापीय ऊर्जा खो सकता है, जबकि आसपास कोई वायु-कण ऊर्जा को दूर ले जाने के लिए मौजूद नहीं हैं।
समाधान 1
हाँ। यह घटक विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करके ऊर्जा खो सकता है।
चालन और संवहन के लिए पदार्थ की आवश्यकता होती है, इसलिए इनमें से कोई भी अंतरिक्षयान से दूर खाली अंतरिक्ष के पार ऊर्जा स्थानांतरित नहीं कर सकता। तापीय विकिरण को किसी भौतिक माध्यम की आवश्यकता नहीं होती।
गर्म घटक विद्युतचुंबकीय विकिरण उत्सर्जित करता है, जो सामान्य अभियांत्रिक तापमानों पर मुख्यतः अवरक्त तरंगदैर्ध्यों में होता है। यह विकिरण ऊर्जा को अंतरिक्षयान से दूर ले जाता है।
आकर्षक लेकिन गलत धारणा यह है कि “कण नहीं हैं, इसलिए ऊष्मा स्थानांतरण नहीं हो सकता”। सही कथन अधिक सीमित है: कण नहीं होने का अर्थ है कि उस क्षेत्र से होकर चालन या संवहन नहीं हो सकता। विकिरण फिर भी कार्य करता है।
प्रश्न 2
एक सतह \(72\text{ W}\) अवरक्त विकिरण प्राप्त करती है और उन तरंगदैर्ध्यों पर उसकी अवशोषकता \(0.60\) है।
गणना करें:
a. अवशोषित विकिरण शक्ति
b. \(20\text{ s}\) में अवशोषित विकिरण ऊर्जा
मान लें कि अवशोषकता स्थिर रहती है।
समाधान 2
सतह \(43.2\text{ W}\) शक्ति अवशोषित करती है, जो \(20\text{ s}\) में \(864\text{ J}\) के बराबर है।
अवशोषित शक्ति है
\[ P_{\text{abs}} =\alpha P_{\text{inc}} =(0.60)(72\text{ W}) =43.2\text{ W} \]
\(t=20\text{ s}\) समय के लिए,
\[ E_{\text{abs}} =P_{\text{abs}}t =(43.2\text{ W})(20\text{ s}) =864\text{ J} \]
अतः:
- a. \(P_{\text{abs}}=43.2\text{ W}\)
- b. \(E_{\text{abs}}=864\text{ J}\)
यह आपतित विकिरण से अवशोषित मात्रा है। यह आवश्यक रूप से वस्तु की आंतरिक ऊर्जा में हुई वृद्धि के बराबर नहीं है, क्योंकि वस्तु उसी समय विकिरण, चालन या संवहन द्वारा ऊर्जा खो भी सकती है।
प्रश्न 3
दो एक जैसे धातु के पात्र समान \(20^\circ\text{C}\) तापमान वाले कमरे में \(80^\circ\text{C}\) पर हैं। पात्र A की सतह फीकी है और उसकी अवरक्त उत्सर्जकता उच्च है। पात्र B की सतह पॉलिश की हुई धात्विक है और उसकी अवरक्त उत्सर्जकता निम्न है।
एक विद्यार्थी कहता है, “पात्र A केवल इसलिए तेजी से ठंडा होता है क्योंकि काली सतहें अधिक विकिरण अवशोषित करती हैं।”
केवल विकिरण को ध्यान में रखते हुए विद्यार्थी की व्याख्या का मूल्यांकन कीजिए।
समाधान 3
पात्र A के विकिरण द्वारा अधिक तेजी से ठंडा होने की अपेक्षा है, लेकिन विद्यार्थी की व्याख्या ऊर्जा स्थानांतरण की गलत दिशा पर केंद्रित है।
दोनों पात्र तापीय विकिरण उत्सर्जित करते हैं और कमरे से आने वाला विकिरण अवशोषित भी करते हैं। क्योंकि पात्र अपने परिवेश से अधिक गर्म हैं, शुद्ध विकिरणीय स्थानांतरण बाहर की ओर है।
पात्र A की अवरक्त उत्सर्जकता अधिक है, इसलिए समान तापमान और खुले क्षेत्रफल पर वह तापीय विकिरण अधिक प्रबलता से उत्सर्जित करता है। इसलिए उससे अधिक शुद्ध विकिरणीय ऊर्जा हानि होने की अपेक्षा है।
उसकी उच्च अवशोषकता का अर्थ यह भी है कि वह कमरे से आने वाला अवरक्त विकिरण प्रबल रूप से अवशोषित करता है, लेकिन इससे परिणाम उलट नहीं जाता। ठंडा कमरा गर्म पात्र के उत्सर्जन की तुलना में कम विकिरण ऊर्जा प्रदान करता है।
गलती केवल अवशोषण पर ध्यान केंद्रित करने में है, क्योंकि सतह के रंग को अक्सर इसी तरह समझाना शुरू किया जाता है। ठंडा होने को समझने के लिए आपको उत्सर्जन और शुद्ध ऊर्जा-संतुलन की जाँच करनी होती है।
प्रश्न 4
एक वस्तु बंद कमरे की दीवारों के साथ तापीय साम्य तक पहुँच चुकी है। सब कुछ समान तापमान पर है।
एक विद्यार्थी तर्क देता है कि वस्तु ने अवरक्त विकिरण उत्सर्जित करना बंद कर दिया होगा, क्योंकि अन्यथा वह लगातार ऊर्जा खोती रहती।
समझाइए कि वास्तव में क्या हो रहा है।
समाधान 4
वस्तु अभी भी अवरक्त विकिरण उत्सर्जित कर रही है, लेकिन वह औसतन उसी दर से विकिरण ऊर्जा अवशोषित भी करती है, इसलिए उसका शुद्ध विकिरणीय ऊर्जा स्थानांतरण शून्य है।
परम शून्य से ऊपर की सभी वस्तुएँ तापीय विकिरण उत्सर्जित करती हैं। कमरे की दीवारें भी वस्तु की ओर विकिरण उत्सर्जित करती हैं।
तापीय साम्य पर,
\[ P_{\text{abs}}=P_{\text{emit}} \]
अतः
\[ P_{\text{net,in}} =P_{\text{abs}}-P_{\text{emit}} =0 \]
इसलिए औसतन विकिरण के कारण वस्तु की आंतरिक ऊर्जा नहीं बदलती।
भ्रांति शून्य शुद्ध स्थानांतरण को प्रत्येक दिशा में शून्य स्थानांतरण समझने से उत्पन्न होती है। तापीय साम्य गतिशील होता है। ऊर्जा का आदान-प्रदान अभी भी जारी रहता है।
प्रश्न 5
एक अभियंता अंतरिक्ष के निर्वात में काम करने वाले उपकरण के लिए एक अपारदर्शी लेप चुन रहा है। उपकरण को मुख्यतः छोटे सौर तरंगदैर्ध्यों पर विकिरण प्राप्त होता है, लेकिन वह अपना अधिकांश तापीय विकिरण कहीं अधिक लंबे अवरक्त तरंगदैर्ध्यों पर उत्सर्जित करता है।
मापे गए गुण हैं:
| लेप | सौर तरंगदैर्ध्यों पर अवशोषकता | तापीय अवरक्त तरंगदैर्ध्यों पर उत्सर्जकता |
|---|---|---|
| A | 0.15 | 0.20 |
| B | 0.30 | 0.90 |
| C | 0.60 | 0.95 |
उद्देश्य सूर्य से होने वाले तापन को कम करना है, साथ ही उपकरण को तापीय ऊर्जा प्रभावी रूप से खोने देना है।
दी गई जानकारी के आधार पर कौन-सा लेप सबसे उपयुक्त है? समझाइए कि आपका चयन इस नियम का उल्लंघन क्यों नहीं करता कि अच्छे अवशोषक अच्छे उत्सर्जक होते हैं।
समाधान 5
तीनों में से लेप B सबसे उपयुक्त है, क्योंकि इसमें आने वाले सौर विकिरण का अपेक्षाकृत कम अवशोषण और तापीय अवरक्त में बहुत प्रबल उत्सर्जन-दोनों गुण साथ मिलते हैं।
लेप A सबसे कम सौर विकिरण अवशोषित करता है, जो शुरू में आदर्श लग सकता है। लेकिन उसकी अवरक्त उत्सर्जकता केवल \(0.20\) है, इसलिए उपकरण गर्म होने के बाद अपनी तापीय ऊर्जा को विकिरण द्वारा बाहर निकालने में वह कमजोर है।
लेप C एक उत्कृष्ट अवरक्त उत्सर्जक है, जिसकी उत्सर्जकता \(0.95\) है, लेकिन वह विचार किए जा रहे सौर तरंगदैर्ध्यों पर आपतित विकिरण का \(60\%\) भी अवशोषित करता है। इससे आने वाली ऊर्जा का भार बहुत अधिक हो जाता है।
लेप B उपयोगी संतुलन प्रदान करता है। वह आने वाले सौर विकिरण का केवल \(30\%\) अवशोषित करता है और उसकी अवरक्त उत्सर्जकता \(0.90\) है, इसलिए वह तापीय ऊर्जा को प्रबलता से बाहर निकाल सकता है।
यह अवशोषण और उत्सर्जन के संबंध का उल्लंघन नहीं करता, क्योंकि उस संबंध की तुलना समान तरंगदैर्ध्य पर की जानी चाहिए। तालिका छोटे सौर तरंगदैर्ध्यों पर अवशोषकता और कहीं अधिक लंबे तापीय अवरक्त तरंगदैर्ध्यों पर उत्सर्जकता देती है। इसलिए कोई पदार्थ विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम के एक भाग को परावर्तित कर सकता है और दूसरे भाग में प्रबलता से उत्सर्जन कर सकता है।
“अच्छे अवशोषक अच्छे उत्सर्जक होते हैं” इस सरल नियम में छिपी हुई धारणा यह है कि आप समान तरंगदैर्ध्य परास की बात कर रहे हैं।
10तापीय विकिरण के बाद अगला कदम
जब आप उत्सर्जन, अवशोषण, परावर्तन और शुद्ध ऊर्जा स्थानांतरण को अलग-अलग समझ लेते हैं, तो कृष्णिका विकिरण को समझना बहुत आसान हो जाता है।
कृष्णिका एक आदर्शीकृत अवशोषक और उत्सर्जक है। उसका उत्सर्जित स्पेक्ट्रम तापमान पर निर्भर करता है, जिससे तापीय विकिरण उन वस्तुओं के बारे में जानकारी दे सकता है जिन्हें सीधे छुआ नहीं जा सकता, जिनमें तारे भी शामिल हैं। वही विचार जो यह समझाता है कि फीकी सतह प्रभावी रूप से क्यों ठंडी होती है, अंततः खगोलीय दूरियों पर स्थित वस्तुओं का तापमान अनुमानित करने का तरीका बन जाता है।