1. Вызначэнне цеплаперадачы выпраменьваннем
Як вы сябе адчуваеце, калі носіце чорнае адзенне ў спякотны дзень або калі займаецеся спортам на працягу дня? Параўнайце з тым, калі вы носіце белае адзенне? Калі вы носіце чорнае адзенне на працягу дня, то вам горача. Чаму так? Адлегласць паміж сонцам і зямлёй раніцай амаль такая ж, як адлегласць паміж сонцам і зямлёй на працягу дня і вечара. Тады чаму раніцай і вечарам халадней, а ўдзень гарачэй? Адказы на гэтыя пытанні звязаны з перадачай цяпла выпраменьваннем.
Перадача цяпла выпраменьваннем — гэта перадача цяпла ў выглядзе электрамагнітных хваль. Прыкладамі перадачы цяпла выпраменьваннем з'яўляюцца цяпло вашага цела, калі вы знаходзіцеся побач з печчу, і перадача цяпла ад сонца да зямлі. Сонца мае больш высокую тэмпературу (каля 6000 Кельвінаў), а Зямля мае больш нізкую тэмпературу. Розніца тэмператур паміж сонцам і зямлёй прымушае цяпло перамяшчацца ад сонца (больш высокая тэмпература) да зямлі (ніжэйшая тэмпература). Калі для перадачы цяпла ад сонца да зямлі патрабуецца пасярэднік або асяроддзе, як перадача цяпла шляхам цеплаправоднасці і канвекцыі, цяпло не можа дасягнуць зямлі; цяпло павінна праходзіць праз вакуум (або амаль пустое месца). Калі няма цяпла ад сонца, жыцця на Зямлі ніколі не будзе, таму што жыццё патрабуе энергіі ад сонца.
Іншы прыклад перадачы цяпла выпраменьваннем — гэта цяпло, якое мы адчуваем, калі знаходзімся побач з полымем. Цяпло, якое мы адчуваем, не выклікана перагрэтым паветрам з-за полымя. Як тлумачылася раней, гарачае паветра пашыраецца, таму яго шчыльнасць памяншаецца. У выніку паветра з паніжанай шчыльнасцю рухаецца вертыкальна ўверх, а не гарызантальна да нас. Наша цела адчувае цяпло або гарачае, калі яно знаходзіцца побач з полымем, таму што цяпло перамяшчаецца шляхам выпраменьвання ад полымя (больш высокая тэмпература) да нашага цела (ніжэйшая тэмпература).
Цеплаперадача выпраменьваннем крыху адрозніваецца ад цеплаперадачы шляхам цеплаправоднасці і канвекцыі. Цеплаперадача шляхам цеплаправоднасці і канвекцыі адбываецца, калі аб'екты з розніцай тэмператур дакранаюцца адзін да аднаго. З іншага боку, цеплаперадача выпраменьваннем можа адбывацца без дотыку.
2. Ураўненне цеплаперадачы выпраменьваннем
Хуткасць цеплаперадачы выпраменьваннем прапарцыйная плошчы аб'екта і абсалютнай тэмпературы (шкала Кельвіна) аб'екта. Аб'екты з большай плошчай паверхні маюць больш высокую хуткасць цеплаперадачы, чым аб'екты з меншай плошчай паверхні.
Аналагічна, напрыклад, аб'екты з тэмпературай 2000 Кельвінаў маюць хуткасць цеплаперадачы ў 2 4 = 16 разоў большую, чым аб'екты з тэмпературай 1000 Кельвінаў. Гэты вынік быў адкрыты Ёзэфам Стэфанам у 1879 годзе і тэарэтычна выведзены Людвігам Больцманам прыкладна праз пяць гадоў.
Q = цяпло, t = час, A = плошча паверхні аб'екта (м² ) , T = абсалютная тэмпература аб'екта (K), e = каэфіцыент выпраменьвання (бязмерны лік, памер якога вагаецца ад 0 да 1), σ = 5.67 x 10⁻⁶ Вт /м² · K⁴ (універсальная пастаянная . Таксама называецца пастаяннай Стэфана-Больцмана), Q/t = хуткасць цеплаперадачы выпраменьваннем
Аб'екты з цёмнымі паверхнямі (чорныя) маюць эмісійную здольнасць, блізкую да 1, у той час як аб'екты са светлым колерам маюць эмісійную здольнасць, блізкую да 0. Чым большая эмісійная здольнасць аб'екта (e набліжаецца да 1), тым большая хуткасць выпраменьвання цяпла. І наадварот, чым меншая эмісійная здольнасць аб'екта (e набліжаецца да 0), тым меншая хуткасць выпраменьвання цяпла. Можна сказаць, што аб'екты цёмнага колеру (чорныя) звычайна выпраменьваюць больш цяпла, чым аб'екты светлага колеру (белыя).
Велічыня эмісійнай здольнасці вызначае не толькі здольнасць аб'екта выпраменьваць цяпло, але і здольнасць аб'екта паглынаць цяпло, якое выпраменьваецца іншымі аб'ектамі. Аб'екты з эмісійнай здольнасцю, блізкай да 1 (цёмныя аб'екты), паглынаюць амаль усё цяпло, якое выпраменьваецца імі. Адлюстроўваецца толькі невялікая частка. І наадварот, аб'екты з эмісійнай здольнасцю, блізкай да 0 (светлыя аб'екты), паглынаюць невялікую частку цяпла, якое выпраменьваецца імі. Большая частка цяпла адлюстроўваецца аб'ектам. Аб'ект, які паглынае ўсё цяпло, якое выпраменьваецца ім, мае эмісійную здольнасць, роўную 1. Гэты тып аб'екта вядомы як «чорны аб'ект». Тэрмін «чорны аб'ект» не тлумачыць, што аб'екты чорныя, але тлумачыць здольнасць аб'ектаў паглынаць усё цяпло, якое выпраменьваецца імі.
3. Хуткасць цяпла, якое выпраменьваецца сонцам
Зыходзячы з разлікаў (якія адпавядаюць рэчаіснасці), было ўстаноўлена, што ад сонца да зямлі рухаецца цяпло магутнасцю 1350 джоўляў у секунду на квадратны метр. У ясны дзень (без аблокаў) на паверхню зямлі дасягае цяпло магутнасцю 1000 джоўляў у секунду на квадратны метр. У сонечны дзень (з вялікай колькасцю аблокаў) каля 70% цяпла паглынаецца зямной атмасферай, і толькі 30% цяпла дасягае паверхні зямлі. Велічыня цяпла, якое знікае ў зямной атмасферы, залежыць ад колькасці аблокаў. Колькасць цяпла 1350 джоўляў у секунду на квадратны метр вядома як сонечная пастаянная . Паколькі джоўлі ў секунду (Дж/с) = Вт, мы можам перапісаць сонечную пастаянную як 1350 Вт на квадратны метр = 1350 Вт/м².
Калі цяпло, якое выпраменьваецца сонцам, дасягае паверхні Зямлі, яно паглынаецца зямлёй і прадметамі на паверхні Зямлі. Каэфіцыент паглынання цяпла залежыць ад каэфіцыента выпраменьвання (e) прадмета, плошчы паверхні прадмета і вугла, які ўтварае сонечнае святло з лініяй, перпендыкулярнай паверхні прадмета.
інфармацыя:
Q/t = каэфіцыент паглынання цяпла, 1000 Вт/м²2 = сонечная пастаянная, e = эмісійная здольнасць аб'екта, A = плошча паверхні аб'екта, θ = вугал, утвораны сонечным святлом з лініямі, перпендыкулярнымі паверхні аб'екта,
A cos θ = эфектыўная плошча (кампанент плошчы паверхні аб'ектаў, перпендыкулярны сонечнаму святлу)
На працягу дня сонечныя прамяні паралельныя або супадаюць з лініяй, перпендыкулярнай да паверхні Зямлі (утвораны вугал = 0).
Ніжняя ўтвораная = 0 o , таму хуткасць паглынання цяпла роўная:
Каэфіцыент паглынання цяпла (Q/t) максімальны, калі вугал, які ўтварае сонечнае святло з лініяй, перпендыкулярнай паверхні Зямлі, роўны 0 ° (cos 0 = 1). Звычайна гэта адбываецца ўдзень, калі сонца перпендыкулярнае паверхні Зямлі. Таму не варта здзіўляцца, калі дзённае святло гарачэйшае за раніцу ці вечар. Раніцай і ўвечары ўтвораны вугал блізкі да 90 °.
Калі ўтвораны вугал роўны 80 ° , то каэфіцыент паглынання цяпла складае:
Каэфіцыент паглынання цяпла (Q/t) раніцай і ўвечары мінімальны, таму што cos θ блізкі да нуля. Чым меншы cos θ, тым меншы каэфіцыент паглынання цяпла.
На захадзе сонца на заходнім гарызонце або перад узыходам на ўсходнім гарызонце ўтвораны вугал = 90 °.
Паколькі ўтвораны вугал роўны 90 ° , каэфіцыент паглынання цяпла складае:
Хуткасць паглынання цяпла (Q/t) на захадзе або перад узыходам сонца = 0.
