1. A sugárzásos hőátadás definíciója
Milyen érzés fekete ruhát viselni egy forró napon, vagy ha napközben edzel? Hasonlítsd össze azzal, amikor fehér ruhát viselsz? Ha nappal fekete ruhát viselsz, akkor meleged van. Miért van ez? A Nap és a Föld közötti távolság reggel majdnem megegyezik a Nap és a Föld közötti távolsággal nappal és este. Akkor miért hűvösebbek a reggelek és az esték, melegebbek nappal? A kérdésekre adott válaszok a sugárzás útján történő hőátadással kapcsolatosak.
A sugárzásos hőátadás elektromágneses hullámok formájában történő hőátadás. A sugárzásos hőátadásra példák a tested melege, amikor egy kemence közelében vagy, valamint a hőátadás a Naptól a Földig. A Nap hőmérséklete magasabb (kb. 6000 Kelvin), míg a Földé alacsonyabb. A Nap és a Föld közötti hőmérsékletkülönbség miatt a hő a Naptól (magasabb hőmérséklet) a Földre (alacsonyabb hőmérséklet) áramlik. Ha a Naptól a Földig tartó hőátadáshoz közvetítőre vagy közegre van szükség, mint például a hővezetéssel és konvekcióval történő hőátadáshoz, a hő nem tud a Földre érkezni; a hőnek vákuumon (vagy majdnem üresen) kell áthaladnia. Ha nincs hő a Naptól, az élet soha nem létezhet a Földön, mert az életnek a Nap energiájára van szüksége.
A sugárzás útján történő hőátadás egy másik példája a láng közelében érzett hő. Az általunk érzett hőt nem a láng miatt túlmelegedett levegő okozza. Ahogy korábban kifejtettük, a forró levegő kitágul, így a sűrűsége csökken. Ennek eredményeként a csökkent sűrűségű levegő függőlegesen felfelé mozog, és nem vízszintesen felénk. Testünk melegnek vagy forrónak érződik a láng közelében, mert a hő sugárzás útján jut el a lángtól (magasabb hőmérséklet) a testünkhöz (alacsonyabb hőmérséklet).
A sugárzásos hőátadás némileg eltér a hővezetéses és konvekciós hőátadástól. A hővezetéses és konvekciós hőátadás akkor következik be, amikor a hőmérséklet-különbséggel rendelkező tárgyak érintkeznek egymással. Másrészt a sugárzásos hőátadás érintkezés nélkül is bekövetkezhet.
2. A sugárzással történő hőátadás egyenlete
A sugárzás útján történő hőátadás sebessége arányos a tárgy területével és abszolút hőmérsékletével (Kelvin-skála). A nagyobb felületű tárgyak nagyobb hőátadási sebességgel rendelkeznek, mint a kisebb felületűek.
Hasonlóképpen, például a 2000 Kelvin hőmérsékletű tárgyak hőátadási sebessége 2 ^4 = 16-szor nagyobb, mint az 1000 Kelvin hőmérsékletű tárgyaké. Ezt az eredményt Josef Stefan fedezte fel 1879-ben, és Ludwig Boltzmann vezette le elméletileg körülbelül öt évvel később.
Q = hő, t = idő, A = a tárgy felülete (m² ) , T = a tárgy abszolút hőmérséklete (K), e = emisszióképesség (dimenzió nélküli szám, amelynek mérete 0-tól 1-ig terjed), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W/m²·K⁴ ( univerzális állandó . Stefan-Boltzmann állandónak is nevezik), Q/t = a sugárzással történő hőátadás sebessége
A sötét felületű (fekete) tárgyak emisszióképessége közel 1-hez, míg a világos színű tárgyaké közel 0-hoz tartozik. Minél nagyobb egy tárgy emisszióképessége (e közel 1-hez), annál nagyobb a kibocsátott hősebesség. Fordítva, minél kisebb egy tárgy emisszióképessége (e közel 0-hoz), annál kisebb a kibocsátott hősebesség. Azt mondhatjuk, hogy a sötét színű tárgyak (fekete) általában több hőt bocsátanak ki, mint a világos színű tárgyak (fehér).
Az emisszióképesség mértéke nemcsak egy tárgy hőleadási képességét határozza meg, hanem azt is, hogy képes-e elnyelni más tárgyak által kibocsátott hőt. Azok a tárgyak, amelyek emisszióképessége közel 1-hez (sötét színű tárgyak), szinte az összes kibocsátott hőt elnyelik. Csak egy kis része verődik vissza. Ezzel szemben a 0-hoz közeli emisszióképességű tárgyak (világos színű tárgyak) csak kis mennyiségű, általuk kibocsátott hőt nyelnek el. A hő nagy részét a tárgy visszaveri. Az a tárgy, amely elnyeli az összes kibocsátott hőt, emisszióképessége = 1. Ez a típusú tárgy „fekete tárgynak” nevezik. A „fekete tárgy” kifejezés nem magyarázza meg, hogy a tárgyak feketék, hanem azt a képességét, hogy elnyeljék az összes kibocsátott hőt.
3. A nap által kibocsátott hő mennyisége
Számítások alapján (a valóságnak megfelelően) azt találták, hogy négyzetméterenként 1350 joule hő áramlott a Napból a Földre másodpercenként. Derült napon (felhők nélkül) négyzetméterenként 1000 joule hő érkezik a Föld felszínére. Napos időben (sok felhővel) a hő körülbelül 70%-át nyeli el a Föld légköre, és csak 30%-a érkezik a Föld felszínére. A Föld légkörében eltűnő hő nagysága a felhők sok vagy kevés számától függ. Az 1350 joule/másodperc/négyzetméter hőmennyiséget napállandónak nevezzük . Mivel a joule/másodperc (J/s) = watt, a napállandót átírhatjuk 1350 watt/négyzetméter = 1350 W/m²-re.
Amikor a Nap által kibocsátott hő eléri a Föld felszínét, a Föld és a Föld felszínén lévő tárgyak elnyelik a hőt. A hőelnyelési sebesség a tárgy emissziós tényezőjétől (e), a tárgy felületétől és a napfény és a tárgy felületére merőleges vonal által bezárt szögtől függ.
Information:
Q/t = hőelnyelési sebesség, 1000 W/m²2 = napállandó, e = a tárgy emisszivitása, A = a tárgy felülete, θ = a napfény és a tárgy felületére merőleges vonalak által bezárt szög,
A cos θ = effektív terület (a napfényre merőleges tárgyak komponensfelülete)
Napközben a napsugarak párhuzamosak vagy egybeesnek a földfelszínre merőleges vonallal (alakított szög = 0).
Az alsó képződött = 0 o , tehát a hőelnyelési sebesség:
A hőelnyelési ráta (Q/t) akkor maximális, ha a napfény és a Föld felszínére merőleges egyenes által bezárt szög = 0 ° (cos 0 = 1). Ez általában nappal történik, amikor a Nap merőleges a Föld felszínére. Tehát nem kell meglepődni, ha a nappal melegebb, mint reggel vagy este. Reggel és este a létrehozott szög közel 90 °.
Ha a kialakított szög 80 ° , akkor a hőelnyelési sebesség:
A hőelnyelési ráta (Q/t) reggel és este minimális, mivel a cos θ közel nulla. Minél kisebb a cos θ, annál kisebb a hőelnyelési ráta.
Naplementekor a nyugati horizonton, vagy napkeltekor a keleti horizonton a létrehozott szög = 90 °.
Mivel a kialakított szög 90 ° , a hőelnyelési sebesség:
Hőelnyelési ráta (Q/t) napnyugtakor vagy napkeltekor = 0.
