Kolorowe ciepło
Obserwując pracę kowala, wykuwającego np. podkowy (dziś coraz rzadszy widok), warto zwrócić uwagę na zmiany barwy obrabianego metalu. Doświadczony rzemieślnik nie potrzebuje wykonywać pomiaru temperatury, aby wiedzieć, czy już może brać do ręki młot. Na początku metal przybiera barwę wiśniową (650–750°C), potem staje się ona coraz jaśniejsza – przez czerwoną, pomarańczową przechodzi w żółtą (tu już mamy sporo ponad 1000°C), aż do oślepiająco białej. Podobnie specjaliści od wulkanów szacują temperaturę lawy – ta najgorętsza jest niemal biała, a w miarę stygnięcia żółknie, potem staje się pomarańczowa itd.
Skąd jednak bierze się ta barwa? Mówiąc najprościej, to, co obserwujemy jako barwę, jest efektem tego, w jaki sposób nasz mózg odbiera światło, czyli fale elektromagnetyczne trafiające do naszego oka. W tym przypadku chodzi o fale emitowane przez ciepły kawałek metalu, zwane naukowo promieniowaniem cieplnym (termicznym). Ich bezpośrednim źródłem są chaotyczne zmiany kierunku ruchu cząstek naładowanych elektrycznie. Energia cieplna zostaje w tym procesie przekształcona w energię fal elektromagnetycznych.
Warto wiedzieć, że każdy przedmiot, niezależnie od temperatury, emituje takie promieniowanie, choć oczywiście nasze oko nie zawsze jest w stanie je zobaczyć. Wynika to z czystej fizjologii – nasz narząd wzroku rejestruje tylko określony zakres długości fal – od ok. 400 nm do 800 nm. Aby „zobaczyć” inne długości, musimy wspomóc się rozmaitymi przyrządami. Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że większość energii promieniowania cieplnego przypada na niewidoczny dla oka zakres podczerwony (IR). Właśnie to zjawisko jest podstawą znanego w każdym laboratorium chemicznym powiedzenia: „Pamiętaj, gorąca szklana kolba wygląda dokładnie tak samo jak zimna”.
Nawet jeśli rozgrzejemy jakiś przedmiot do temperatury 2000°C i będzie on świecił światłem białym (czyli mieszaniną wszystkich kolorów tęczy), to i tak 99% emitowanej energii będzie w zakresie IR.
Ale wróćmy do naszego kowala. Kawałek metalu emituje fale elektromagnetyczne, jeszcze zanim trafi do paleniska, tyle że jest to światło podczerwone. W miarę wzrostu temperatury zaczyna się emisja promieniowania czerwonego, potem pomarańczowego i żółtego. Gdybyśmy spojrzeli na widmo światła widzialnego, zauważymy, że dalej mamy barwę zieloną, niebieską i fioletową. Nie zobaczymy ich jednak wprost, ponieważ powstaje mieszanina barw, która coraz bardziej jest zbliżona do klasycznego światła białego. Dokładnie taka sama sytuacja zachodzi w przypadku klasycznej żarówki – prąd elektryczny powoduje rozgrzanie wolframowego włókna, które bardzo szybko zaczyna emitować całe spektrum barw, ale oczywiście też niewidoczne promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe (to ostatnie jest jednak zatrzymywane przez szklaną bańkę).
Warto również pamiętać, że nie zawsze możemy określić temperaturę, nawet w sposób przybliżony, tylko na podstawie barwy przedmiotu. Klasycznym przykładem mogą być fajerwerki. Mogą one przybierać rozmaite barwy, ale w tym przypadku mechanizm ich powstawania jest inny. Mamy tu do czynienia ze świeceniem jonów konkretnych pierwiastków, które nie jest typowym promieniowaniem termicznym. Jeśli np. podgrzejemy kawałek miedzi, będzie on świecił podobnie jak podkowa u kowala, ale jeśli do fajerwerków dodamy nieco związku miedzi, uzyskamy piękną barwę niebieskozieloną lub zieloną.
Czasem zachodzi konieczność określenia wartości temperatury bez zbliżania się do mierzonego obiektu – najczęściej bardzo gorącego. Wykorzystuje się tutaj fakt, że fale elektromagnetyczne, nawet niewidoczne dla naszego oka, niosą z sobą energię. Prosty przyrząd do zdalnego pomiaru temperatury nosi nazwę bolometru, a jego działanie bazuje na zmianie oporu elektrycznego spowodowanego pochłonięciem energii fali elektromagnetycznej. Współczesne bolometry są bardzo czułe, potrafią zarejestrować nawet promieniowanie o mocy zaledwie 10–12 W, a więc pozwalają na oznaczenie temperatury ze znacznie lepszą dokładnością niż uzyskiwana metodą „na oko”.
Nieco bardziej złożonym urządzeniem jest kamera termowizyjna – pozwala ona „widzieć” emitowane przez rozmaite przedmioty promieniowanie podczerwone. Takie kamery mają bardzo szerokie zastosowanie: od typowo technicznego (np. badanie jakości izolacji budynków) do medycznego, gdzie wykrywa się patologiczne zmiany powodujące lokalny wzrost temperatury.
Urządzenia tego typu pomagają też np. w poszukiwaniu ludzi zaginionych w lasach – odpowiednio skonstruowana kamera termowizyjna podczepiona pod śmigłowcem bez większego problemu jest w stanie zlokalizować człowieka nawet w gęstym lesie. Oczywiście należy pamiętać, że obraz w takiej kamerze zarejestruje także zwierzęta, ponieważ one również są źródłem całkiem sporego promieniowania cieplnego.
dr n. chem. Mirosław Dworniczak