1. Определение за топлопренос чрез радиация
Какво е усещането, когато носите черни дрехи в горещ ден или когато тренирате през деня? Сравнете с това, когато носите бели дрехи? Ако носите черни дрехи през деня, тогава ви е горещо. Защо е така? Разстоянието между слънцето и земята сутрин е почти същото като разстоянието между слънцето и земята през деня и вечерта. Тогава защо сутрините и вечерите са по-хладни, а през деня по-топли? Отговорите на тези въпроси са свързани с преноса на топлина чрез радиация.
Преносът на топлина чрез радиация е пренос на топлина под формата на електромагнитни вълни. Примери за пренос на топлина чрез радиация са топлината на тялото ви, когато сте близо до пещ, и преносът на топлина от слънцето към земята. Слънцето има по-висока температура (около 6000 Келвина), докато земята има по-ниска температура. Температурната разлика между слънцето и земята кара топлината да се премества от слънцето (по-висока температура) към земята (по-ниска температура). Ако преносът на топлина от слънцето към земята изисква посредник или среда, както е при преноса на топлина чрез проводимост и конвекция, топлината не може да достигне земята; топлината трябва да премине през вакуум (или почти празно пространство). Ако няма топлина от слънцето, животът на земята никога няма да съществува, защото животът изисква енергия от слънцето.
Друг пример за пренос на топлина чрез радиация е топлината, която усещаме, когато сме близо до пламък. Топлината, която усещаме, не е причинена от прегрят въздух, причинен от пламък. Както беше обяснено по-рано, горещият въздух ще се разшири, така че плътността му да намалее. В резултат на това въздухът с намалена плътност се движи вертикално нагоре, а не хоризонтално към нас. Тялото ни се усеща топло или горещо, когато е близо до пламъка, защото топлината се движи чрез радиация от пламъка (по-висока температура) към тялото ни (по-ниска температура).
Преносът на топлина чрез излъчване е малко по-различен в сравнение с преноса на топлина чрез проводимост и конвекция. Преносът на топлина чрез проводимост и конвекция се случва, когато обекти с температурни разлики се докосват един до друг. От друга страна, преносът на топлина чрез излъчване може да се осъществи и без допир.
2. Уравнението на топлопреноса чрез радиация
Скоростта на топлопреминаване чрез излъчване е пропорционална на площта на обекта и абсолютната температура (скала на Келвин) на обекта. Обектите с по-голяма повърхност имат по-висока скорост на топлопреминаване от обектите с по-малка повърхност.
По подобен начин, обекти с температура от 2000 Келвина, например, имат скорост на топлопреминаване от 2 4 = 16 пъти по-голяма от обекти с температура от 1000 Келвина. Този резултат е открит от Йозеф Стефан през 1879 г. и е теоретично изведен от Лудвиг Болцман около пет години по-късно.
Q = топлина, t = време, A = площ на повърхността на обекта (m² ) , T = абсолютна температура на обекта (K) e = емисионна коефициент (безразмерно число, чийто размер варира от 0 до 1), σ = 5.67 x 10⁻⁴ W /m² · K⁴ (универсална константа. Наричана още константа на Стефан-Болцман), Q/t = скорост на топлопреминаване чрез радиация
Обектите с тъмни повърхности (черни) имат емисионна способност близка до 1, докато обектите със светъл цвят имат емисионна способност близка до 0. Колкото по-голяма е емисионната способност на даден обект (e се приближава до 1), толкова по-голяма е скоростта на излъчване на топлина. Обратно, колкото по-малка е емисионната способност на даден обект (e се приближава до 0), толкова по-малка е скоростта на излъчване на топлина. Можем да кажем, че тъмните обекти (черни) обикновено излъчват повече топлина от светлите обекти (бели).
Количеството излъчвателна способност определя не само способността на даден обект да излъчва топлина, но и способността му да абсорбира топлина, излъчвана от други обекти. Обекти, които имат излъчвателна способност близка до 1 (тъмно оцветени обекти), абсорбират почти цялата топлина, излъчвана върху тях. Само малка част се отразява. Обратно, обекти, които имат излъчвателна способност близка до 0 (светло оцветени обекти), абсорбират малко топлина, излъчвана върху тях. По-голямата част от топлината се отразява от обекта. Обект, който абсорбира цялата топлина, излъчвана върху него, има излъчвателна способност = 1. Този тип обект е известен като „черен обект“. Терминът „черен обект“ не обяснява, че обектите са черни, а обяснява способността на обектите да абсорбират цялата топлина, излъчвана върху тях.
3. Скоростта на топлина, излъчвана от слънцето
Въз основа на изчисления (според реалността) беше установено, че от слънцето към земята се движи топлина от 1350 джаула в секунда на квадратен метър. В светъл ден (без облаци) до повърхността на земята достига топлина от 1000 джаула в секунда на квадратен метър. В слънчев ден (с много облаци) около 70% от топлината се абсорбира от земната атмосфера, като само 30% достига до земната повърхност. Количеството топлина, което изчезва в земната атмосфера, зависи от многото или малкото облаци. Количеството топлина от 1350 джаула в секунда на квадратен метър е известно като слънчева константа . Тъй като джаули в секунда (J/s) = ватове, можем да преформулираме слънчевата константа на 1350 вата на квадратен метър = 1350 W/m².
Когато топлината, излъчвана от слънцето, достигне повърхността на земята, тя се абсорбира от земята и обектите на повърхността на земята. Скоростта на абсорбиране на топлина зависи от емисионната способност (e) на обекта, площта на повърхността на обекта и ъгъла, образуван от слънчевата светлина с линия, перпендикулярна на повърхността на обекта.
Информация:
Q/t = коефициент на поглъщане на топлина, 1000 W/m²2 = слънчева константа, e = емисионна способност на обекта, A = площ на повърхността на обекта, θ = ъгъл, образуван от слънчевата светлина с линии, перпендикулярни на повърхността на обекта,
A cos θ = ефективна площ (компонентна повърхност на обекти, перпендикулярни на слънчевата светлина)
През деня слънчевите лъчи са успоредни или съвпадат с линия, перпендикулярна на земната повърхност (образуван ъгъл = 0).
Долната образувана = 0 o , следователно скоростта на поглъщане на топлина е:
Коефициентът на поглъщане на топлина (Q/t) е максимален, ако ъгълът, образуван от слънчевата светлина с линия, перпендикулярна на земната повърхност, е = 0 ° (cos 0 = 1). Обикновено това се случва през деня, когато слънцето е перпендикулярно на земната повърхност. Така че няма нужда да се изненадвате, ако дневната светлина е по-гореща от сутринта или вечерта. Сутрин и вечер образуваният ъгъл е близо до 90 °.
Ако образуваният ъгъл е 80 ° , тогава коефициентът на поглъщане на топлина е:
Коефициентът на поглъщане на топлина (Q/t) сутрин и вечер е минимален, защото cos θ е близък до нула. Колкото по-малък е cos θ, толкова по-малък е коефициентът на поглъщане на топлина.
При залез слънце на западния хоризонт или пред изгрев на източния хоризонт, създаденият ъгъл = 90 °.
Тъй като образуваният ъгъл е 90 ° , скоростта на поглъщане на топлина е:
Скорост на поглъщане на топлина (Q/t) при залез слънце или преди изгрев = 0.
