Lämmönsiirto säteilyn avulla

1. Säteilyllä tapahtuvan lämmönsiirron määritelmä

Miltä tuntuu, jos käytät mustia vaatteita kuumana päivänä, tai milloin liikut päivän aikana? Vertaa tätä siihen, kun käytät valkoisia vaatteita? Jos käytät mustia vaatteita päivällä, sinusta tuntuu kuumalta. Miksi? Auringon ja maan välinen etäisyys aamulla on lähes sama kuin auringon ja maan välinen etäisyys päivällä ja illalla. Miksi aamut ja illat sitten ovat viileämpiä ja päivällä kuumempia? Näiden kysymysten vastaukset liittyvät lämmön siirtymiseen säteilyn kautta.

Lämmön siirtyminen säteilyn avulla on lämmön siirtymistä sähkömagneettisten aaltojen muodossa. Esimerkkejä lämmön siirtymisestä säteilyn avulla ovat kehosi lämpö, ​​kun olet lähellä uunia, ja lämmön siirtyminen auringosta maahan. Auringon lämpötila on korkeampi (noin 6000 kelviniä), kun taas maan lämpötila on alhaisempi. Auringon ja maan välinen lämpötilaero saa lämmön siirtymään auringosta (korkeampi lämpötila) maahan (alempi lämpötila). Jos lämmön siirtyminen auringosta maahan vaatii välittäjän tai väliaineen, kuten lämmön siirtyminen johtumisen ja konvektion avulla, lämpö ei voi saapua maahan; lämmön on kuljettava tyhjiön (tai lähes tyhjän) läpi. Jos auringosta ei tule lämpöä, elämää maapallolla ei koskaan ole, koska elämä tarvitsee auringon energiaa.

Toinen esimerkki lämmön siirtymisestä säteilyn kautta on liekin lähellä tuntuva lämpö. Tuntemamme lämpö ei johdu liekin aiheuttamasta ylikuumenemisesta. Kuten aiemmin selitettiin, kuuma ilma laajenee, jolloin sen tiheys pienenee. Tämän seurauksena tiheydeltään alentunut ilma liikkuu pystysuunnassa ylöspäin eikä vaakasuunnassa meitä kohti. Kehomme tuntuu lämpimältä tai kuumalta liekin lähellä, koska lämpö siirtyy säteilyn kautta liekistä (korkeampi lämpötila) kehoomme (alempi lämpötila).

Lämmönsiirto säteilyllä eroaa hieman lämmönsiirrosta johtumisen ja konvektion avulla. Lämmönsiirto johtumisen ja konvektion avulla tapahtuu, kun lämpötilaerojen omaavat kappaleet koskettavat toisiaan. Toisaalta lämmönsiirto säteilyllä voi tapahtua ilman kosketusta.

2. Säteilyllä tapahtuvan lämmönsiirron yhtälö

Lämmönsiirtonopeus säteilyn avulla on verrannollinen kappaleen pinta-alaan ja kappaleen absoluuttiseen lämpötilaan (Kelvin-asteikko). Kappaleilla, joilla on suurempi pinta-ala, on suurempi lämmönsiirtonopeus kuin kappaleilla, joilla on pienempi pinta-ala.

Samoin esimerkiksi 2000 kelvinin lämpötilan omaavien kappaleiden lämmönsiirtonopeus on 2⁴ = 16 kertaa suurempi kuin 1000 kelvinin lämpötilassa olevilla kappaleilla. Josef Stefan löysi tämän tuloksen vuonna 1879, ja Ludwig Boltzmann johti sen teoreettisesti noin viisi vuotta myöhemmin.

Q = lämpö, ​​t = aika, A = kappaleen pinta-ala (m²)²), T = kappaleen absoluuttinen lämpötila (K) e = emissiivisyys (dimensioton luku, jonka koko vaihtelee välillä 0–1), σ = 5.67 x 10^-8 W / m².K⁴ (Universaalivakio. Kutsutaan myös Stefan-Boltzmannin vakioksi), Q/t = säteilylämmönsiirtonopeus

Tummapintaisten (mustien) esineiden emissiivisyys on lähellä 1:tä, kun taas vaaleapintaisten esineiden emissiivisyys on lähellä 0:aa. Mitä suurempi esineen emissiivisyys on (e lähestyy arvoa 1), sitä suurempi on esineen säteilemä lämpönopeus. Kääntäen, mitä pienempi esineen emissiivisyys on (e lähestyy arvoa 0), sitä pienempi on sen säteilemä lämpönopeus. Voimme sanoa, että tummat (mustat) esineet säteilevät yleensä enemmän lämpöä kuin vaaleat (valkoiset) esineet.

Emissiivisyyden määrä ei ainoastaan ​​määrää kappaleen kykyä säteillä lämpöä, vaan myös kappaleen kyvyn absorboida muiden kappaleiden säteilemää lämpöä. Esineet, joiden emissiivisyys on lähellä 1 (tummat kappaleet), absorboivat lähes kaiken niihin säteilevän lämmön. Vain pieni osa heijastuu. Toisaalta esineet, joiden emissiivisyys on lähellä 0 (vaaleat kappaleet), absorboivat vain vähän niihin säteilevää lämpöä. Suurin osa lämmöstä heijastuu kappaleesta. Esineellä, joka absorboi kaiken siihen säteilevän lämmön, on emissiivisyys = 1. Tämän tyyppistä kappaletta kutsutaan "mustaksi kappaleeksi". Termi "musta kappale" ei selitä, että kappaleet ovat mustia, vaan selittää kappaleiden kyvyn absorboida kaikki niihin säteilevä lämpö.

3. Auringon säteilemän lämmön nopeus

Laskelmien (todellisuuden mukaan) perusteella havaittiin, että auringosta maahan liikkui 1350 joulea sekunnissa neliömetriä kohden. Kirkkaana päivänä (pilvetönä) maan pinnalle saapuu 1000 joulea sekunnissa neliömetriä kohden. Aurinkoisena päivänä (paljon pilviä) maan ilmakehä absorboi noin 70 % lämmöstä, ja vain 30 % lämmöstä saapuu maan pinnalle. Maan ilmakehään häviävän lämmön määrä riippuu pilvien määrästä. 1350 joulea sekunnissa neliömetriä kohden tunnetaan nimellä aurinkovakioKoska joulea sekunnissa (J/s) = wattia, voimme kirjoittaa uudelleen aurinkovakio 1350 wattiin neliömetriä kohden = 1350 W/m²²

Kun auringon säteilemä lämpö saapuu maan pinnalle, maa ja maan pinnalla olevat esineet absorboivat lämmön. Lämmön absorptionopeus riippuu kappaleen emissiivisyydestä (e), kappaleen pinta-alasta ja auringonvalon ja kappaleen pintaan kohtisuoran viivan muodostamasta kulmasta.

Lisätietoja:
Q/t = lämmön absorptionopeus, 1000 W/m²² = aurinkovakio, e = kappaleen emissiivisyys, A = kappaleen pinta-ala, θ = auringonvalon ja kappaleen pintaan kohtisuorassa olevien viivojen muodostama kulma,

Cos θ = efektiivinen pinta-ala (auringonvaloon nähden kohtisuorassa olevien esineiden komponenttipinta-ala)

Päivän aikana auringonsäteet ovat yhdensuuntaiset tai samat kuin maan pintaan kohtisuorassa oleva viiva (muodostunut kulma = 0).

Alempi muodostettu = 0^o, joten lämmön absorptionopeus on:

Lämmön absorptionopeus (Q/t) on suurin, jos auringonvalon ja maan pintaan kohtisuorassa olevan viivan muodostama kulma on 0.^o (cos 0 = 1). Yleensä tämä tapahtuu päivällä, jolloin aurinko on kohtisuorassa maan pintaan nähden. Ei siis tarvitse yllättyä, jos päivänvalo on kuumempaa kuin aamulla tai illalla. Aamulla ja illalla syntyvä kulma on lähellä 90 astetta.^o.

Jos muodostuva kulma on 80^o, niin lämmön absorptionopeus on:

Lämmön absorptionopeus (Q/t) aamulla ja illalla on pienin, koska cos θ on lähellä nollaa. Mitä pienempi cos θ, sitä pienempi lämmön absorptionopeus.

Auringonlaskun aikaan läntisellä horisontilla tai auringonlaskun aikaan itäisellä horisontilla luotu kulma = 90^o.

Koska muodostuva kulma on 90^o, lämmön absorptionopeus on:

Lämmön absorptionopeus (Q/t) auringonlaskun aikaan tai sen noustessa = 0.