Πώς νιώθετε αν φοράτε μαύρα ρούχα μια ζεστή μέρα ή όταν γυμνάζεστε κατά τη διάρκεια της ημέρας; Συγκρίνετε το με όταν φοράτε λευκά ρούχα; Αν φοράτε μαύρα ρούχα κατά τη διάρκεια της ημέρας, θα ζεσταθείτε εύκολα. Γιατί συμβαίνει αυτό; Η απόσταση μεταξύ ήλιου και γης το πρωί είναι σχεδόν η ίδια με την απόσταση μεταξύ ήλιου και γης το μεσημέρι και το βράδυ. Γιατί λοιπόν είναι πιο δροσερά το πρωί και το βράδυ και πιο ζεστά το απόγευμα; Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα σχετίζεται με τη μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας.
Η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία είναι η μεταφορά θερμότητας με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία περιλαμβάνουν τη ζεστασιά που αισθάνεται το σώμα σας όταν βρίσκεστε κοντά σε μια σόμπα και τη μεταφορά θερμότητας από τον ήλιο στη γη. Ο ήλιος έχει υψηλότερη θερμοκρασία (περίπου 6000 Kelvin), ενώ η γη έχει χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ήλιου και της γης προκαλεί τη μεταφορά θερμότητας από τον ήλιο (υψηλότερη θερμοκρασία) στη γη (χαμηλότερη θερμοκρασία). Εάν η μεταφορά θερμότητας από τον ήλιο στη γη απαιτούσε έναν ενδιάμεσο ή μέσο, όπως η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και συναγωγής, τότε η θερμότητα δεν θα έφτανε στη γη. Θα έπρεπε να περάσει από ένα κενό (ή σχεδόν κενό). Χωρίς την παροχή θερμότητας του ήλιου, η ζωή στη γη δεν θα υπήρχε, καθώς η ζωή απαιτεί ενέργεια.
Ένα άλλο παράδειγμα μεταφοράς θερμότητας μέσω ακτινοβολίας είναι η θερμότητα που νιώθουμε όταν βρισκόμαστε κοντά σε μια φλόγα. Η θερμότητα που νιώθουμε δεν προκαλείται από την υπερθέρμανση του αέρα από τη φλόγα. Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, ο θερμός αέρας διαστέλλεται, μειώνοντας την πυκνότητά του. Ως αποτέλεσμα, ο αέρας με μειωμένη πυκνότητα κινείται κάθετα προς τα πάνω, όχι οριζόντια προς το μέρος μας. Τα σώματά μας νιώθουν ζεστά ή καυτά όταν βρισκόμαστε κοντά σε μια φλόγα, επειδή η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ακτινοβολίας από τη φλόγα (υψηλότερη θερμοκρασία) στο σώμα μας (χαμηλότερη θερμοκρασία).
Η μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας διαφέρει ελαφρώς από τη μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και συναγωγής . Η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και συναγωγής συμβαίνει όταν αντικείμενα σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή. Αντίθετα, η μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας μπορεί να συμβεί χωρίς επαφή.
Τύπος μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία
Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας μέσω ακτινοβολίας διαπιστώνεται ότι είναι ανάλογος με την επιφάνεια του αντικειμένου και την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του (κλίμακα Kelvin). Τα αντικείμενα με μεγαλύτερη επιφάνεια έχουν μεγαλύτερο ρυθμό μεταφοράς θερμότητας από τα αντικείμενα με μικρότερη επιφάνεια. Ομοίως, ένα αντικείμενο στους 2000 Kelvin, για παράδειγμα, έχει ρυθμό μεταφοράς θερμότητας 2/4 = 16 φορές μεγαλύτερο από ένα αντικείμενο στους 1000 Kelvin. Αυτό το αποτέλεσμα ανακαλύφθηκε από τον Josef Stefan το 1879 και προέκυψε θεωρητικά από τον Ludwig Boltzmann περίπου 5 χρόνια αργότερα.
Περιγραφή: Q = Θερμότητα, t = χρόνος, A = Εμβαδόν επιφάνειας του αντικειμένου (m2), T = Απόλυτη θερμοκρασία του αντικειμένου (K), e = Εκπομπική ικανότητα (ένας αδιάστατος αριθμός του οποίου η τιμή κυμαίνεται από 0 έως 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Παγκόσμια σταθερά. Ονομάζεται επίσης σταθερά Stefan-Boltzmann), Q/t = ρυθμός μεταφοράς θερμότητας με ακτινοβολία ή ρυθμός ακτινοβολίας ενέργειας
Τα αντικείμενα με σκούρες επιφάνειες (μαύρες) έχουν συντελεστή εκπομπής κοντά στο 1, ενώ τα ανοιχτόχρωμα αντικείμενα έχουν συντελεστή εκπομπής κοντά στο 0. Όσο μεγαλύτερη είναι η συντελεστής εκπομπής ενός αντικειμένου (e κοντά στο 1), τόσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός εκπομπής θερμότητας που εκπέμπει το αντικείμενο. Αντίθετα, όσο μικρότερη είναι η συντελεστής εκπομπής ενός αντικειμένου (e κοντά στο 0), τόσο μικρότερος είναι ο ρυθμός εκπομπής θερμότητας. Μπορούμε να πούμε ότι τα σκουρόχρωμα αντικείμενα (μαύρα) συνήθως εκπέμπουν περισσότερη θερμότητα από τα ανοιχτόχρωμα αντικείμενα (λευκά).
Το μέγεθος της εκπεμπόμενης θερμότητας δεν καθορίζει μόνο την ικανότητα ενός αντικειμένου να εκπέμπει θερμότητα, αλλά και την ικανότητα ενός αντικειμένου να απορροφά θερμότητα που εκπέμπεται από άλλα αντικείμενα. Αντικείμενα με εκπεμπόμενη θερμότητα κοντά στο 1 (σκοτεινά αντικείμενα) απορροφούν σχεδόν όλη τη θερμότητα που εκπέμπεται σε αυτά. Μόνο ένα μικρό μέρος ανακλάται. Αντίθετα, αντικείμενα με εκπεμπόμενη θερμότητα κοντά στο 0 (ελαφρύτερα αντικείμενα) απορροφούν λίγη από τη θερμότητα που εκπέμπεται σε αυτά. Το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας ανακλάται από το αντικείμενο. Αντικείμενα που απορροφούν όλη τη θερμότητα που εκπέμπεται σε αυτά έχουν εκπεμπόμενη θερμότητα = 1. Αυτός ο τύπος αντικειμένου είναι γνωστός ως "μαύρο σώμα". Ο όρος μαύρο σώμα δεν περιγράφει ένα αντικείμενο που είναι μαύρο, αλλά περιγράφει την ικανότητα ενός αντικειμένου να απορροφά όλη τη θερμότητα που εκπέμπεται σε αυτό.
