1. Definice přenosu tepla sáláním
Jaký je to pocit, když máte na sobě černé oblečení v horkém dni, nebo když přes den cvičíte? Porovnejte to s tím, když máte na sobě bílé oblečení? Pokud máte přes den černé oblečení, je vám horko. Proč? Vzdálenost mezi sluncem a Zemí ráno je téměř stejná jako vzdálenost mezi sluncem a Zemí během dne a večera. Proč jsou tedy rána a večery chladnější a přes den teplejší? Odpovědi na tyto otázky souvisejí s přenosem tepla zářením.
Přenos tepla sáláním je přenos tepla ve formě elektromagnetických vln. Příklady přenosu tepla sáláním jsou teplo vašeho těla, když jste v blízkosti pece, a přenos tepla ze Slunce na Zemi. Slunce má vyšší teplotu (kolem 6000 Kelvinů), zatímco Země má nižší teplotu. Teplotní rozdíl mezi Sluncem a Zemí způsobuje, že se teplo přesouvá ze Slunce (vyšší teplota) na Zemi (nižší teplota). Pokud přenos tepla ze Slunce na Zemi vyžaduje prostředníka nebo médium, jako je přenos tepla vedením a konvekcí, teplo se nemůže na Zemi dostat; teplo musí procházet vakuem (nebo téměř prázdným prostorem). Pokud ze Slunce nebude teplo, život na Zemi nikdy nebude existovat, protože život vyžaduje energii ze Slunce.
Dalším příkladem přenosu tepla sáláním je teplo, které pociťujeme, když jsme v blízkosti plamene. Teplo, které pociťujeme, není způsobeno přehřátým vzduchem v důsledku plamene. Jak již bylo vysvětleno, horký vzduch se rozpíná, takže jeho hustota klesá. V důsledku toho se vzduch se sníženou hustotou pohybuje svisle nahoru, nikoli vodorovně směrem k nám. Naše tělo v blízkosti plamene pociťuje teplo nebo horko, protože teplo se pohybuje sáláním z plamene (vyšší teplota) do našeho těla (nižší teplota).
Přenos tepla sáláním se mírně liší od přenosu tepla vedením a konvekcí. K přenosu tepla vedením a konvekcí dochází, když se objekty s teplotními rozdíly vzájemně dotýkají. Na druhou stranu k přenosu tepla sáláním může docházet i bez dotyku.
2. Rovnice přenosu tepla sáláním
Rychlost přenosu tepla zářením je úměrná ploše objektu a absolutní teplotě (Kelvinova stupnice) objektu. Objekty s větším povrchem mají vyšší rychlost přenosu tepla než objekty s menším povrchem.
Podobně například objekty s teplotou 2000 Kelvinů mají rychlost přenosu tepla 2 4 = 16krát větší než objekty s teplotou 1000 Kelvinů. Tento výsledek objevil Josef Stefan v roce 1879 a teoreticky jej odvodil Ludwig Boltzmann asi o pět let později.
Q = teplo, t = čas, A = povrch objektu (m² ) , T = absolutní teplota objektu (K), e = emisivita (bezrozměrné číslo, jehož velikost se pohybuje od 0 do 1), σ = 5.67 x 10⁻⁶ W/m²·K⁴ ( univerzální konstanta . Také označovaná jako Stefanova-Boltzmannova konstanta), Q/t = rychlost přenosu tepla zářením
Objekty s tmavým povrchem (černé) mají emisivitu blízkou 1, zatímco objekty se světlou barvou mají emisivitu blízkou 0. Čím větší je emisivita objektu (e se blíží 1), tím větší je tepelný výkon, který objekt vyzařuje. Naopak, čím menší je emisivita objektu (e se blíží 0), tím menší je tepelný výkon. Můžeme říci, že tmavě zbarvené objekty (černé) obvykle vyzařují více tepla než světle zbarvené objekty (bílé).
Množství emisivity určuje nejen schopnost objektu vyzařovat teplo, ale také schopnost objektu absorbovat teplo vyzařované jinými objekty. Objekty s emisivitou blízkou 1 (tmavé objekty) absorbují téměř veškeré teplo, které na sebe vyzařují. Odráží se pouze malá část. Naopak objekty s emisivitou blízkou 0 (světlé objekty) absorbují malé množství tepla, které na sebe vyzařují. Většinu tepla objekt odráží. Objekt, který absorbuje veškeré teplo, které na sebe vyzařuje, má emisivitu = 1. Tento typ objektu je známý jako „černý objekt“. Termín černý objekt nevysvětluje, že objekty jsou černé, ale vysvětluje schopnost objektů absorbovat veškeré teplo, které na sebe vyzařují.
3. Rychlost tepla vyzařovaného sluncem
Na základě výpočtů (podle reality) bylo zjištěno, že ze Slunce na Zemi se pohybuje teplo o síle 1350 Joulů za sekundu na metr čtvereční. Za jasného dne (bez mraků) dopadá na zemský povrch teplo o síle 1000 Joulů za sekundu na metr čtvereční. Za slunečného dne (s mnoha mraky) je zemská atmosféra absorbována přibližně 70 % tepla, na zemský povrch se dostane pouze 30 % tepla. Velikost tepla, které v zemské atmosféře mizí, závisí na počtu mraků. Množství tepla 1350 Joulů za sekundu na metr čtvereční se nazývá sluneční konstanta . Protože Jouly za sekundu (J/s) = watty, můžeme sluneční konstantu přepsat na 1350 W na metr čtvereční = 1350 W/m².
Když teplo vyzařované sluncem dopadá na zemský povrch, je absorbováno Zemí a objekty na zemském povrchu. Míra absorpce tepla závisí na emisivitě (e) objektu, jeho ploše a úhlu, který svírá sluneční světlo s přímkou kolmou k povrchu objektu.
informace:
Q/t = míra absorpce tepla, 1000 W/m²2 = sluneční konstanta, e = emisivita objektu, A = plocha povrchu objektu, θ = úhel, který svírá sluneční světlo s přímkami kolmými k povrchu objektu,
A cos θ = efektivní plocha (plocha složky povrchu objektů kolmých na sluneční světlo)
Během dne jsou sluneční paprsky rovnoběžné nebo se shodují s přímkou kolmou k zemskému povrchu (svíraný úhel = 0).
Spodní vytvořená teplota = 0 o , proto je rychlost absorpce tepla:
Míra absorpce tepla (Q/t) je maximální, pokud úhel, který svírá sluneční světlo s přímkou kolmou k zemskému povrchu, je 0 ° (cos 0 = 1). Obvykle k tomu dochází během dne, kdy je slunce kolmé k zemskému povrchu. Není tedy třeba se divit, pokud je denní světlo teplejší než ráno nebo večer. Ráno a večer se vytvořený úhel blíží 90 °.
Pokud je úhel, který svírá, 80 ° , pak je míra absorpce tepla:
Míra absorpce tepla (Q/t) je ráno a večer minimální, protože cos θ je blízký nule. Čím menší je cos θ, tím menší je míra absorpce tepla.
Při západu slunce na západním obzoru nebo těsně před jeho východem na východním obzoru svírá úhel = 90 °.
Protože úhel, který svírají, je 90 ° , je míra absorpce tepla:
Rychlost absorpce tepla (Q/t) při západu slunce nebo před jeho východem = 0.
