Miltä tuntuu, jos käytät mustia vaatteita kuumana päivänä tai kun liikut päivällä? Vertaa sitä valkoisiin vaatteisiin? 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... lämmönsiirto säteilyn avulla.
Lämmön siirtyminen säteilyn avulla on lämmönsiirto sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Esimerkkejä lämmön siirtymisestä säteilyn kautta ovat kehosi lämpö, kun olet lähellä liesitasoa, ja lämmön siirtyminen auringosta maahan. Aurinko on suhu korkeampi (noin 6000 kelviniä), kun taas maapallon lämpötila on alhaisempi. Auringon ja maan välinen lämpötilaero aiheuttaa lämpö siirtyy auringosta (korkeampi lämpötila) maahan (alempi lämpötila). Jos lämmön siirtyminen auringosta maahan vaatisi välittäjän eli aineen, kuten lämmönsiirto johtumisen ja konvektion kautta, lämpö ei voisi saavuttaa maata; sen olisi kuljettava tyhjiön (tai lähes tyhjiön) läpi. Jos auringosta ei olisi lämpöä, elämää maapallolla ei koskaan 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).
Lämmön siirtyminen säteilyn avulla on hieman erilaista kuin lämmönsiirto johtumisen avulla dan lämmönsiirto konvektiollaLämmönsiirtoa johtumisen ja konvektion kautta tapahtuu, kun eri lämpötiloissa olevat kappaleet joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa. Toisaalta lämmönsiirtoa säteilyn kautta voi tapahtua ilman kosketusta.
Säteilylämmönsiirtokaava
Lämmönsiirtonopeuden säteilyn avulla havaitaan olevan verrannollinen kappaleen pinta-alaan ja sen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin (Kelvin-asteikolla). Suuremmilla pinta-aloilla on suurempi lämmönsiirtonopeus kuin pienemmillä pinta-aloilla. Samoin esimerkiksi 2000 kelvinin lämpötilassa olevan kappaleen lämmönsiirtonopeus on 2.4 = 16 kertaa suurempi kuin 1000 kelvinin lämpötilassa olevan kappaleen. 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.
