كيف تشعر عند ارتداء ملابس سوداء في يوم حار أو أثناء ممارسة الرياضة نهارًا؟ قارن ذلك بارتداء ملابس بيضاء. إذا ارتديت ملابس سوداء نهارًا، ستشعر بالحرارة بسهولة. لماذا؟ المسافة بين الشمس والأرض في الصباح تكاد تكون مساوية للمسافة بينهما عند الظهر والمساء. فلماذا يكون الصباح والمساء أبرد، بينما يكون الظهيرة أشد حرارة؟ تكمن الإجابة في انتقال الحرارة بالإشعاع.
انتقال الحرارة بالإشعاع هو انتقال الحرارة على شكل موجات كهرومغناطيسية. من أمثلة انتقال الحرارة بالإشعاع الدفء الذي يشعر به جسمك عند اقترابك من موقد، وانتقال الحرارة من الشمس إلى الأرض. تتميز الشمس بدرجة حرارة أعلى (حوالي 6000 كلفن)، بينما تتميز الأرض بدرجة حرارة أقل. هذا الاختلاف في درجة الحرارة بين الشمس والأرض يتسبب في انتقال الحرارة من الشمس (ذات درجة الحرارة الأعلى) إلى الأرض (ذات درجة الحرارة الأقل). لو كان انتقال الحرارة من الشمس إلى الأرض يتطلب وسيطًا، كما هو الحال في انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري، لما وصلت الحرارة إلى الأرض؛ بل كان عليها أن تمر عبر فراغ (أو ما يقاربه). بدون حرارة الشمس، لن توجد حياة على الأرض، لأن الحياة تتطلب طاقة.
مثال آخر على انتقال الحرارة بالإشعاع هو الحرارة التي نشعر بها عند اقترابنا من اللهب. هذه الحرارة لا تنتج عن ارتفاع درجة حرارة الهواء بفعل اللهب. فكما سبق شرحه، يتمدد الهواء الساخن، مما يقلل من كثافته. ونتيجة لذلك، يتحرك الهواء ذو الكثافة المنخفضة عموديًا إلى أعلى، وليس أفقيًا نحونا. نشعر بالدفء أو الحرارة عند اقترابنا من اللهب لأن الحرارة تنتقل بالإشعاع من اللهب (درجة حرارة أعلى) إلى أجسامنا (درجة حرارة أقل).
يختلف انتقال الحرارة بالإشعاع قليلاً عن انتقالها بالتوصيل والحمل الحراري . يحدث انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري عندما تتلامس أجسام ذات درجات حرارة مختلفة. في المقابل، يمكن أن يحدث انتقال الحرارة بالإشعاع دون تلامس.
صيغة انتقال الحرارة بالإشعاع
وُجد أن معدل انتقال الحرارة بالإشعاع يتناسب طرديًا مع مساحة سطح الجسم ومرفوعًا للأس الرابع لدرجة حرارته المطلقة (مقياس كلفن). فالأجسام ذات مساحة السطح الأكبر تتميز بمعدل انتقال حرارة أعلى من الأجسام ذات مساحة السطح الأصغر. فعلى سبيل المثال، يكون معدل انتقال الحرارة لجسم عند درجة حرارة 2000 كلفن أكبر بمقدار 16 مرة من معدل انتقال الحرارة لجسم عند درجة حرارة 1000 كلفن. وقد اكتشف جوزيف ستيفان هذه النتيجة عام 1879، ثم استنتجها لودفيج بولتزمان نظريًا بعد ذلك بنحو خمس سنوات.
الوصف: Q = الحرارة، t = الزمن، A = مساحة سطح الجسم (م²)2T = درجة الحرارة المطلقة للجسم (كلفن)، e = معامل الانبعاث (رقم بلا أبعاد تتراوح قيمته من 0 إلى 1)، 5,67 × 10-8 W / م2.K4 (ثابت عالمي. يُسمى أيضًا ثابت ستيفان-بولتزمان)، Q/t = معدل انتقال الحرارة بالإشعاع أو معدل إشعاع الطاقة
الأجسام ذات الأسطح الداكنة (السوداء) لها معامل انبعاثية قريب من 1، بينما الأجسام ذات الألوان الفاتحة لها معامل انبعاثية قريب من 0. كلما زاد معامل انبعاثية الجسم (أي كلما اقترب من 1)، زادت كمية الحرارة المنبعثة منه. وعلى العكس، كلما قل معامل انبعاثية الجسم (أي كلما اقترب من 0)، قلت كمية الحرارة المنبعثة منه. لذا، يمكننا القول إن الأجسام ذات الألوان الداكنة (السوداء) عادةً ما تنبعث منها حرارة أكثر من الأجسام ذات الألوان الفاتحة (البيضاء).
لا تحدد قيمة الانبعاثية قدرة الجسم على إطلاق الحرارة فحسب، بل تحدد أيضًا قدرته على امتصاص الحرارة المنبعثة من أجسام أخرى. تمتص الأجسام ذات الانبعاثية القريبة من 1 (الأجسام الداكنة) معظم الحرارة المنبعثة إليها، ولا ينعكس منها إلا جزء ضئيل. في المقابل، تمتص الأجسام ذات الانبعاثية القريبة من 0 (الأجسام الفاتحة) القليل من الحرارة المنبعثة إليها، بينما ينعكس معظمها. أما الأجسام التي تمتص كل الحرارة المنبعثة إليها، فتكون انبعاثيتها تساوي 1، ويُعرف هذا النوع من الأجسام باسم "الجسم الأسود". لا يصف مصطلح "الجسم الأسود" جسمًا أسود اللون، بل يصف قدرة الجسم على امتصاص كل الحرارة المنبعثة إليه.
