1. Definicija prenosa toplote zračenjem
Kakav je osjećaj kada nosite crnu odjeću tokom vrućeg dana ili kada vježbate tokom dana? Uporedite to sa nošenjem bijele odjeće? Ako nosite crnu odjeću tokom dana, onda vam je vruće. Zašto je to tako? Udaljenost između Sunca i Zemlje ujutro je gotovo ista kao i udaljenost između Sunca i Zemlje tokom dana i večeri. Zašto su onda jutra i večeri hladniji, a topliji tokom dana? Odgovori na ova pitanja povezani su s prijenosom topline zračenjem.
Prijenos toplote zračenjem je prijenos toplote u obliku elektromagnetnih talasa. Primjeri prijenosa toplote zračenjem su toplina vašeg tijela kada ste u blizini peći i prijenos toplote sa sunca na Zemlju. Sunce ima višu temperaturu (oko 6000 Kelvina), dok Zemlja ima nižu temperaturu. Temperaturna razlika između sunca i Zemlje uzrokuje da se toplota kreće sa sunca (viša temperatura) na Zemlju (niža temperatura). Ako prijenos toplote sa sunca na Zemlju zahtijeva posrednika ili medij, kao što je prijenos toplote provođenjem i konvekcijom, toplota ne može stići do Zemlje; toplota mora proći kroz vakuum (ili gotovo prazno). Ako nema toplote sa sunca, život na Zemlji nikada neće postojati jer život zahtijeva energiju sa sunca.
Drugi primjer prijenosa topline zračenjem je toplina koju osjećamo kada smo blizu plamena. Toplotu koju osjećamo ne uzrokuje pregrijani zrak zbog plamena. Kao što je prethodno objašnjeno, vrući zrak će se širiti tako da se gustoća smanjuje. Kao rezultat toga, zrak sa smanjenom gustoćom kreće se vertikalno prema gore, a ne horizontalno prema nama. Naše tijelo osjeća toplinu ili vrućinu kada je blizu plamena jer se toplina kreće putem zračenja od plamena (viša temperatura) do našeg tijela (niža temperatura).
Prijenos topline zračenjem se malo razlikuje od prijenosa topline kondukcijom i konvekcijom. Prijenos topline kondukcijom i konvekcijom događa se kada se objekti koji imaju temperaturne razlike međusobno dodiruju. S druge strane, prijenos topline zračenjem može se dogoditi bez dodira.
2. Jednačina prenosa toplote zračenjem
Brzina prijenosa topline zračenjem proporcionalna je površini objekta i apsolutnoj temperaturi (Kelvinova skala) objekta. Objekti koji imaju veću površinu imaju veću brzinu prijenosa topline od objekata koji imaju manju površinu.
Slično tome, objekti s temperaturom od 2000 Kelvina, na primjer, imaju brzinu prijenosa topline od 2 4 = 16 puta veću od objekata s temperaturom od 1000 Kelvina. Ovaj rezultat otkrio je Josef Stefan 1879. godine, a teoretski ga je izveo Ludwig Boltzmann otprilike pet godina kasnije.
Q = toplota, t = vrijeme, A = površina objekta (m² ) , T = apsolutna temperatura objekta (K) e = emisivnost (bezdimenzionalni broj čija se veličina kreće od 0 do 1), σ = 5.67 x 10⁻⁴ W /m² · K⁴ (Univerzalna konstanta. Također se naziva Stefan-Boltzmannova konstanta ) , Q/t = brzina prijenosa toplote zračenjem
Objekti s tamnim površinama (crni) imaju emisivnost blizu 1, dok objekti sa svijetlom bojom imaju emisivnost blizu 0. Što je veća emisivnost objekta (e se približava 1), to je veća brzina emitovanja toplote. Obrnuto, što je manja emisivnost objekta (e se približava 0), to je manja brzina emitovanja toplote. Možemo reći da objekti tamne boje (crni) obično emituju više toplote od objekata svijetle boje (bijelih).
Količina emisivnosti ne određuje samo sposobnost objekta da emitira toplotu, već i sposobnost objekta da apsorbira toplotu koju emitiraju drugi objekti. Objekti koji imaju emisivnost blizu 1 (tamni objekti) apsorbiraju gotovo svu toplotu koju emitiraju. Samo mali dio se reflektira. Suprotno tome, objekti koji imaju emisivnost blizu 0 (svijetli objekti) apsorbiraju malo toplote koju emitiraju. Većinu toplote reflektira objekt. Objekt koji apsorbira svu toplotu koju emitira ima emisivnost = 1. Ova vrsta objekta poznata je kao "crni objekt". Termin crni objekt ne objašnjava da su objekti crni, već objašnjava sposobnost objekata da apsorbiraju svu toplotu koju emitiraju.
3. Brzina toplote koju emituje sunce
Na osnovu proračuna (prema stvarnosti), utvrđeno je da se od Sunca prema Zemlji kreće toplota od 1350 Džula u sekundi po kvadratnom metru. Tokom vedrog dana (bez oblaka), na površinu Zemlje stiže toplota od 1000 Džula u sekundi po kvadratnom metru. Tokom sunčanog dana (sa mnogo oblaka), oko 70% toplote apsorbuje Zemljina atmosfera, dok samo 30% toplote stiže na površinu Zemlje. Količina toplote koja nestaje u Zemljinoj atmosferi zavisi od broja oblaka. Količina toplote od 1350 Džula u sekundi po kvadratnom metru poznata je kao solarna konstanta . Pošto su Džuli u sekundi (J/s) = Vati, solarnu konstantu možemo prepisati kao 1350 Vata po kvadratnom metru = 1350 W/m².
Kada toplota koju emituje sunce stigne do površine Zemlje, Zemlja i objekti na Zemljinoj površini apsorbuju tu toplotu. Brzina apsorpcije toplote zavisi od emisivnosti (e) objekta, površine objekta i ugla koji sunčeva svjetlost formira sa linijom okomitom na površinu objekta.
Informacije:
Q/t = brzina apsorpcije toplote, 1000 W/m2 = solarna konstanta, e = emisivnost objekta, A = površina objekta, θ = ugao koji sunčeva svjetlost formira s linijama okomitim na površinu objekta,
A cos θ = efektivna površina (komponenta površine objekata okomita na sunčevu svjetlost)
Tokom dana, sunčevi zraci su paralelni ili se poklapaju s linijom okomitom na Zemljinu površinu (napravljeni ugao = 0).
Donja formirana = 0 o , stoga je brzina apsorpcije toplote:
Brzina apsorpcije toplote (Q/t) je maksimalna ako je ugao koji sunčeva svjetlost formira s linijom okomitom na Zemljinu površinu = 0 ° (cos 0 = 1). Obično se to dešava tokom dana, kada je sunce okomito na Zemljinu površinu. Dakle, ne treba se iznenaditi ako je dnevna svjetlost toplija od jutra ili večeri. Ujutro i uveče, stvoreni ugao je blizu 90 °.
Ako je formirani ugao 80 ° , tada je brzina apsorpcije toplote:
Brzina apsorpcije toplote (Q/t) ujutro i navečer je minimalna jer je cos θ blizu nule. Što je cos θ manji, to je brzina apsorpcije toplote manja.
Pri zalasku sunca na zapadnom horizontu ili pred izlazak na istočnom horizontu, stvoreni ugao je = 90 °.
Budući da formirani ugao iznosi 90 ° , brzina apsorpcije toplote je:
Brzina apsorpcije toplote (Q/t) pri zalasku sunca ili pred izlazak = 0.
