1. Soojusülekande definitsioon kiirguse teel
Kuidas on tunne, kui kannad kuumal päeval musti riideid või kui teed päeva jooksul trenni? Võrdle seda valgete riiete kandmisega? Kui kannad päeval musti riideid, siis on sul palav. Miks see nii on? Päikese ja Maa vaheline kaugus hommikul on peaaegu sama, mis päikese ja Maa vaheline kaugus päeval ja õhtul. Miks on siis hommikud ja õhtud jahedamad, päeval kuumemad? Nendele küsimustele vastused on seotud soojusülekandega kiirguse teel.
Soojusülekanne kiirguse teel on soojusülekanne elektromagnetlainete kujul. Soojusülekande näideteks kiirguse teel on teie kehasoojus ahju lähedal olles ja soojusülekanne päikeselt maapinnale. Päikese temperatuur on kõrgem (umbes 6000 kelvinit), samas kui Maa temperatuur on madalam. Päikese ja Maa temperatuuride erinevus põhjustab soojuse liikumist päikeselt (kõrgem temperatuur) maapinnale (madalam temperatuur). Kui soojusülekanne päikeselt maapinnale nõuab vahendajat või keskkonda, nagu soojusülekanne juhtivuse ja konvektsiooni teel, ei saa soojus Maale jõuda; soojus peab läbima vaakumi (või peaaegu tühjuse). Kui Päikeselt soojust ei ole, ei teki Maal kunagi elu, sest elu vajab Päikeselt tulevat energiat.
Teine näide soojusülekandest kiirguse teel on soojus, mida tuntakse leegi läheduses. Soojus, mida me tunneme, ei ole põhjustatud leegi tõttu ülekuumenenud õhust. Nagu varem selgitatud, paisub kuum õhk nii, et tihedus väheneb. Selle tulemusena liigub väiksema tihedusega õhk vertikaalselt ülespoole, mitte horisontaalselt meie poole. Meie keha tundub leegi lähedal soe või kuum, sest soojus liigub kiirguse teel leegist (kõrgem temperatuur) meie kehasse (madalam temperatuur).
Soojusülekanne kiirguse teel erineb veidi soojusülekandest juhtivuse ja konvektsiooni teel. Soojusülekanne juhtivuse ja konvektsiooni teel toimub siis, kui temperatuuride erinevusega objektid üksteisega kokku puutuvad. Teisest küljest võib soojusülekanne kiirguse teel toimuda ka ilma kokkupuuteta.
2. Soojuskiirguse võrrand
Soojusülekande kiirus kiirguse teel on proportsionaalne objekti pindala ja objekti absoluuttemperatuuriga (Kelvini skaala). Suurema pindalaga objektidel on suurem soojusülekande kiirus kui väiksema pindalaga objektidel.
Samamoodi on näiteks 2000 kelvini temperatuuriga objektide soojusülekande kiirus 24 = 16 korda suurem kui objektidel, mille temperatuur on 1000 kelvinit. Selle tulemuse avastas Josef Stefan 1879. aastal ja teoreetiliselt tuletas selle Ludwig Boltzmann umbes viis aastat hiljem.
Q = soojus, t = aeg, A = objekti pindala (m²)2), T = objekti absoluuttemperatuur (K) e = kiirgusvõime (mõõtmeteta arv, mille suurus jääb vahemikku 0 kuni 1), σ = 5.67 x 10-8 W / m2.K4 (Universaalkonstant. Nimetatakse ka Stefan-Boltzmanni konstantiks), Q/t = soojuskiirguse kiirus
Tumedate (mustade) pindadega objektide kiirgusvõime on lähedane 1-le, heledate objektide kiirgusvõime aga lähedane 0-le. Mida suurem on objekti kiirgusvõime (e läheneb 1-le), seda suurem on objekti kiiratav soojuskiirus. Vastupidiselt, mida väiksem on objekti kiirgusvõime (e läheneb 0-le), seda väiksem on kiiratav soojuskiirus. Võib öelda, et tumedad (mustad) objektid kiirgavad tavaliselt rohkem soojust kui heledad (valged) objektid.
Kiirgusvõime hulk ei määra mitte ainult objekti võimet soojust eraldada, vaid ka objekti võimet neelata teiste objektide poolt kiirgavat soojust. Objektid, mille kiirgusvõime on lähedane 1-le (tumedad objektid), neelavad peaaegu kogu neile kiiratava soojuse. Ainult väike osa peegeldub. Seevastu objektid, mille kiirgusvõime on lähedane 0-le (heledad objektid), neelavad vähese neile kiiratava soojuse. Suurem osa soojusest peegeldub objektilt. Objekti, mis neelab kogu sellele kiiratava soojuse, kiirgusvõime on 1. Seda tüüpi objekti nimetatakse "mustaks objektiks". Mõiste "must objekt" ei selgita, et objektid on mustad, vaid selgitab objektide võimet neelata kogu neile kiiratavat soojust.
3. Päikese poolt kiiratava soojuse kiirus
Arvutuste põhjal (vastavalt tegelikkusele) leiti, et päikeselt Maale liikus soojust 1350 džauli sekundis ruutmeetri kohta. Heledal päeval (pilvedeta) jõuab Maa pinnale soojust 1000 džauli sekundis ruutmeetri kohta. Päikesepaistelisel päeval (paljude pilvedega) neelab Maa atmosfäär umbes 70% soojusest, Maa pinnale jõuab vaid 30%. Maa atmosfääris kaduva soojuse hulk sõltub pilvede arvust või vähesusest. Soojushulk 1350 džauli sekundis ruutmeetri kohta on tuntud kui päikesekonstantKuna džaulid sekundis (J/s) = vatid, siis saame ümber kirjutada päikesekonstant kuni 1350 vatti ruutmeetri kohta = 1350 W/m²2
Kui päikese kiirgav soojus jõuab maapinnale, neelavad Maa ja sellel asuvad objektid soojuse. Soojuse neeldumise kiirus sõltub objekti kiirgusvõimest (e), objekti pindalast ja päikesevalguse ja objekti pinnaga risti oleva joone vahelise nurga suurusest.
Info:
Q/t = soojuse neeldumise kiirus, 1000 W/m²2 = päikesekonstant, e = objekti kiirgusvõime, A = objekti pindala, θ = päikesevalguse ja objekti pinnaga risti olevate joonte vaheline nurk,
A cos θ = efektiivne pindala (päikesevalgusega risti asetsevate objektide komponendi pindala)
Päeva jooksul on päikesekiired paralleelsed või langevad kokku maapinnaga risti oleva joonega (moodustatud nurk = 0).
Alumine moodustunud = 0oseega on soojuse neeldumise kiirus:
Soojuse neeldumise kiirus (Q/t) on maksimaalne, kui päikesevalguse ja maapinnaga risti oleva joone vaheline nurk on 0.o (cos 0 = 1). Tavaliselt toimub see päeval, kui päike on maapinnaga risti. Seega pole vaja imestada, kui päevavalgus on kuumem kui hommikul või õhtul. Hommikul ja õhtul on tekkiv nurk ligi 90 kraadi.o.
Kui moodustunud nurk on 80 kraadio, siis soojuse neeldumise kiirus on:
Soojuse neeldumise kiirus (Q/t) hommikul ja õhtul on minimaalne, kuna cos θ on nullilähedane. Mida väiksem on cos θ, seda väiksem on soojuse neeldumise kiirus.
Päikeseloojangu ajal läänehorisondil või päikesetõusu ajal idahorisondil on tekkiv nurk = 90o.
Kuna moodustunud nurk on 90 kraadio, soojuse neeldumise kiirus on:
Soojuse neeldumise kiirus (Q/t) päikeseloojangul või päikesetõusu ajal = 0.
