۱. تعریف انتقال حرارت از طریق تابش
اگر در یک روز گرم لباس مشکی بپوشید، یا چه زمانی در طول روز ورزش میکنید، چه احساسی دارید؟ آن را با زمانی که لباس سفید میپوشید مقایسه کنید؟ اگر در طول روز لباس مشکی بپوشید، احساس گرما میکنید. چرا اینطور است؟ فاصله بین خورشید و زمین در صبح تقریباً برابر با فاصله بین خورشید و زمین در طول روز و عصر است. پس چرا صبحها و عصرها در طول روز خنکتر و گرمتر هستند؟ پاسخ این سؤالات مربوط به انتقال گرما از طریق تابش است.
انتقال گرما از طریق تابش، انتقال گرما به شکل امواج الکترومغناطیسی است. نمونههایی از انتقال گرما از طریق تابش، گرمای بدن شما هنگامی که نزدیک کوره هستید و انتقال گرما از خورشید به زمین است. خورشید دمای بالاتری دارد (حدود ۶۰۰۰ کلوین)، در حالی که زمین دمای پایینتری دارد. اختلاف دما بین خورشید و زمین باعث میشود گرما از خورشید (دمای بالاتر) به زمین (دمای پایینتر) منتقل شود. اگر انتقال گرما از خورشید به زمین به یک واسطه یا واسطه نیاز داشته باشد، مانند انتقال گرما از طریق رسانش و همرفت، گرما نمیتواند به زمین برسد. گرما باید از یک خلاء (یا تقریباً خالی) عبور کند. اگر گرمایی از خورشید وجود نداشته باشد، حیات روی زمین هرگز وجود نخواهد داشت زیرا حیات به انرژی خورشید نیاز دارد.
مثال دیگری از انتقال گرما از طریق تابش، گرمایی است که وقتی نزدیک شعله هستیم احساس میکنیم. گرمایی که ما احساس میکنیم ناشی از هوای بیش از حد گرم شده به دلیل شعله نیست. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، هوای گرم منبسط میشود به طوری که چگالی آن کاهش مییابد. در نتیجه، هوایی که چگالی کمتری دارد به صورت عمودی به سمت بالا حرکت میکند، نه به صورت افقی به سمت ما. بدن ما وقتی نزدیک شعله است احساس گرما یا داغی میکند زیرا گرما از طریق تابش از شعله (دمای بالاتر) به بدن ما (دمای پایینتر) منتقل میشود.
انتقال حرارت از طریق تابش در مقایسه با انتقال حرارت از طریق رسانش و همرفت کمی متفاوت است. انتقال حرارت از طریق رسانش و همرفت زمانی اتفاق میافتد که اجسامی که اختلاف دما دارند با یکدیگر تماس پیدا کنند. از سوی دیگر، انتقال حرارت از طریق تابش میتواند بدون تماس نیز رخ دهد.
۲. معادله انتقال حرارت از طریق تابش
نرخ انتقال حرارت از طریق تابش متناسب با مساحت جسم و دمای مطلق (مقیاس کلوین) جسم است. اجسامی که مساحت سطح بیشتری دارند، نرخ انتقال حرارت بالاتری نسبت به اجسامی دارند که مساحت سطح کمتری دارند.
به همین ترتیب، برای مثال، اجسامی با دمای ۲۰۰۰ کلوین، نرخ انتقال حرارت ۱۶ = ۲ ۴ برابر بیشتر از اجسامی با دمای ۱۰۰۰ کلوین دارند. این نتیجه توسط جوزف استفان در سال ۱۸۷۹ کشف شد و حدود پنج سال بعد توسط لودویگ بولتزمن به صورت نظری استخراج شد.
Q = گرما، t = زمان، A = مساحت سطح جسم (m 2 )، T = دمای مطلق جسم (K) e = ضریب گسیلندگی (عددی بدون بعد که اندازه آن از 0 تا 1 متغیر است)، σ = 5.67 x 10 -8 W/m 2 .K 4 (ثابت جهانی. همچنین به عنوان ثابت استفان-بولتزمن شناخته میشود)، Q/t = نرخ انتقال حرارت از طریق تابش
اجسام با سطوح تیره (سیاه) ضریب گسیلندگی نزدیک به ۱ دارند، در حالی که اجسام با رنگ روشن ضریب گسیلندگی نزدیک به ۰ دارند. هرچه ضریب گسیلندگی یک جسم بیشتر باشد (e به ۱ نزدیک شود)، نرخ گرمای ساطع شده توسط جسم بیشتر است. برعکس، هرچه ضریب گسیلندگی یک جسم کمتر باشد (e به ۰ نزدیک شود)، نرخ گرمای ساطع شده کمتر است. میتوان گفت که اجسام با رنگ تیره (سیاه) معمولاً گرمای بیشتری نسبت به اجسام با رنگ روشن (سفید) ساطع میکنند.
میزان گسیلندگی نه تنها توانایی یک جسم در گسیل گرما را تعیین میکند، بلکه توانایی یک جسم در جذب گرمای گسیل شده توسط اجسام دیگر را نیز تعیین میکند. اجسامی که گسیلندگی نزدیک به ۱ دارند (اجسام تیره رنگ) تقریباً تمام گرمای گسیل شده بر روی خود را جذب میکنند. تنها بخش کوچکی از آن بازتاب میشود. برعکس، اجسامی که گسیلندگی نزدیک به ۰ دارند (اجسام روشن رنگ) گرمای کمی را که بر روی آنها گسیل میشود جذب میکنند. بیشتر گرما توسط جسم بازتاب میشود. جسمی که تمام گرمای گسیل شده بر روی خود را جذب میکند، گسیلندگی = ۱ دارد. این نوع جسم به عنوان "جسم سیاه" شناخته میشود. اصطلاح جسم سیاه توضیح نمیدهد که اجسام سیاه هستند، بلکه توانایی اجسام را در جذب تمام گرمای گسیل شده بر روی آنها توضیح میدهد.
۳. میزان گرمای ساطع شده از خورشید
بر اساس محاسبات (مطابق واقعیت)، مشخص شد که گرمایی معادل ۱۳۵۰ ژول بر ثانیه بر متر مربع از خورشید به زمین منتقل میشود. در یک روز روشن (بدون ابر)، گرمایی معادل ۱۰۰۰ ژول بر ثانیه بر متر مربع به سطح زمین میرسد. در یک روز آفتابی (با ابرهای زیاد)، حدود ۷۰٪ گرما توسط جو زمین جذب میشود و تنها ۳۰٪ گرما به سطح زمین میرسد. میزان گرمایی که در جو زمین از بین میرود به تعداد ابرها یا تعداد کم آنها بستگی دارد. مقدار گرمای ۱۳۵۰ ژول بر ثانیه بر متر مربع به عنوان ثابت خورشیدی شناخته میشود . از آنجا که ژول بر ثانیه (J/s) = وات، میتوانیم ثابت خورشیدی را به ۱۳۵۰ وات بر متر مربع = ۱۳۵۰ وات بر متر مربع بازنویسی کنیم.
وقتی گرمای ساطع شده از خورشید به سطح زمین میرسد، گرما توسط زمین و اجسام روی سطح زمین جذب میشود. میزان جذب گرما به ضریب گسیل (e) جسم، مساحت سطح جسم و زاویهای که نور خورشید با خط عمود بر سطح جسم تشکیل میدهد، بستگی دارد.
اطلاعات:
Q/t = نرخ جذب گرما، 1000 وات بر متر مربع2 = ثابت خورشیدی، e = ضریب تابش جسم، A = مساحت سطح جسم، θ = زاویه تشکیل شده توسط نور خورشید با خطوط عمود بر سطح جسم،
A cos θ = مساحت مؤثر (مساحت سطح مؤلفه اشیاء عمود بر نور خورشید)
در طول روز، پرتوهای خورشید موازی یا منطبق با خطی عمود بر سطح زمین هستند (زاویه تشکیل شده = 0).
بنابراین، هرچه دمای پایینتر تشکیلشده برابر با ۰ درجه باشد ، نرخ جذب گرما برابر است با:
نرخ جذب گرما (Q/t) در صورتی حداکثر است که زاویه تشکیل شده توسط نور خورشید با خط عمود بر سطح زمین = 0 درجه (cos 0 = 1) باشد. معمولاً این اتفاق در طول روز رخ میدهد، جایی که خورشید عمود بر سطح زمین است. بنابراین، اگر نور روز گرمتر از صبح یا عصر باشد، جای تعجب نیست. در صبح و عصر، زاویه ایجاد شده نزدیک به 90 درجه است.
اگر زاویه تشکیل شده ۸۰ درجه باشد ، نرخ جذب گرما برابر است با:
نرخ جذب گرما (Q/t) در صبح و عصر حداقل است زیرا cos θ نزدیک به صفر است. هرچه cos θ کوچکتر باشد، نرخ جذب گرما کمتر است.
هنگام غروب خورشید در افق غربی یا هنگام طلوع خورشید در افق شرقی، زاویه ایجاد شده ۹۰ درجه است.
از آنجا که زاویه تشکیل شده ۹۰ درجه است ، نرخ جذب گرما برابر است با:
نرخ جذب گرما (Q/t) در هنگام غروب خورشید یا نزدیک به طلوع خورشید = ۰.
