Miltä mustien vaatteiden käyttäminen tuntuu kuumana päivänä tai liikuntasuorituksissa? Vertaa sitä valkoisten vaatteiden käyttöön? Jos käytät mustia vaatteita päivällä, sinulle tulee helposti kuuma. Miksi? Auringon ja maan välinen etäisyys aamulla on lähes sama kuin auringon ja maan välinen etäisyys keskipäivällä ja illalla. Miksi aamu ja ilta ovat siis viileämpiä ja iltapäivä kuumempia? Vastaus näihin kysymyksiin liittyy lämmön siirtymiseen säteilyn avulla.
Säteilylämmönsiirto on lämmön siirtymistä sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Esimerkkejä säteilylämmönsiirrosta ovat lämpö, jonka kehosi tuntee lieden lähellä, ja lämmön siirtyminen auringosta maahan. Auringon lämpötila on korkeampi (noin 6000 kelviniä), kun taas maan lämpötila on alhaisempi. Tämä lämpötilaero auringon ja maan välillä saa lämmön siirtymään auringosta (korkeampi lämpötila) maahan (alempi lämpötila). Jos lämmönsiirto auringosta maahan vaatisi välittäjän eli aineen, kuten lämmönsiirto johtumisen ja konvektion kautta, lämpö ei saavuttaisi maata; sen olisi kuljettava tyhjiön läpi (tai lähes tyhjiön läpi). Ilman auringon lämmöntuotantoa elämää maapallolla ei olisi, koska elämä vaatii energiaa.
Toinen esimerkki lämmön siirtymisestä säteilyn kautta on lämpö, jonka tunnemme liekin lähellä. Tuntemamme lämpö ei johdu liekin aiheuttamasta ilman ylikuumenemisesta. Kuten aiemmin selitettiin, kuuma ilma laajenee ja sen tiheys pienenee. Tämän seurauksena tiheydeltään alentunut ilma liikkuu pystysuunnassa ylöspäin, ei vaakasuunnassa meitä kohti. Kehomme tuntuu lämpimältä tai kuumalta liekin lähellä, koska lämpö siirtyy liekin säteilyn kautta (korkeampi lämpötila) kehoomme (alempi lämpötila).
Lämmönsiirto säteilyllä eroaa hieman lämmönsiirrosta johtumisen ja konvektion avulla . Lämmönsiirto johtumisen ja konvektion avulla tapahtuu, kun eri lämpötiloissa olevat kappaleet joutuvat kosketuksiin keskenään. Kääntäen, lämmönsiirto säteilyllä voi tapahtua ilman kosketusta.
Säteilylämmönsiirtokaava
Säteilyn kautta tapahtuvan lämmönsiirtonopeuden havaitaan olevan verrannollinen kappaleen pinta-alaan ja kappaleen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin (Kelvin-asteikko). Suuremmilla pinta-aloilla on suurempi lämmönsiirtonopeus kuin pienemmillä pinta-aloilla. Samoin esimerkiksi 2000 kelvinin lämpötilan omaavalla kappaleella on 2 4 = 16 kertaa suurempi lämmönsiirtonopeus kuin 1000 kelvinin lämpötilan omaavalla kappaleella. Josef Stefan löysi tämän tuloksen vuonna 1879 ja Ludwig Boltzmann johti sen teoreettisesti noin viisi vuotta myöhemmin.
Kuvaus: Q = Lämpö, t = Aika, A = Kappaleen pinta-ala (m²)2), T = Kappaleen absoluuttinen lämpötila (K), e = Emissiivisyys (dimensioton luku, jonka arvo vaihtelee välillä 0–1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Universaalivakio. Kutsutaan myös Stefan-Boltzmannin vakioksi), Q/t = lämmönsiirtonopeus säteilyllä tai energiansiirtonopeus säteilyllä
Tummapintaisten (mustien) esineiden emissiivisyys on lähellä 1:tä, kun taas vaaleiden esineiden emissiivisyys on lähellä 0:aa. Mitä suurempi esineen emissiivisyys on (e lähellä 1:tä), sitä suurempi on esineen lämmöntuotto. Kääntäen, mitä pienempi esineen emissiivisyys on (e lähellä 0:aa), sitä pienempi on lämmöntuotto. Voidaan sanoa, että tummat (mustat) esineet tuottavat yleensä enemmän lämpöä kuin vaaleat (valkoiset) esineet.
Emissiivisyyden suuruus ei ainoastaan määrää kappaleen kykyä säteillä lämpöä, vaan myös kappaleen kyvyn absorboida muiden kappaleiden säteilemää lämpöä. Kohteet, joiden emissiivisyys on lähellä 1 (tummat kappaleet), absorboivat lähes kaiken niille säteilevän lämmön. Vain pieni osa heijastuu. Toisaalta esineet, joiden emissiivisyys on lähellä 0 (vaaleat kappaleet), absorboivat vain vähän niille säteilevää lämpöä. Suurin osa lämmöstä heijastuu kappaleesta. Kohteilla, jotka absorboivat kaiken niille säteilevän lämmön, on emissiivisyys = 1. Tämän tyyppistä kappaletta kutsutaan "musta kappaleeksi". Termi musta kappale ei kuvaa mustaa kappaletta, vaan kappaleen kykyä absorboida kaikki siihen säteilevä lämpö.
