Che sensazione si prova indossando abiti neri in una giornata calda o durante l'attività fisica? E rispetto a quando si indossano abiti bianchi? Indossando abiti neri durante il giorno, si avverte facilmente il caldo. Perché? La distanza tra il sole e la Terra al mattino è quasi la stessa di quella tra il sole e la Terra a mezzogiorno e alla sera. Quindi, perché la mattina e la sera sono più fresche, mentre il pomeriggio è più caldo? La risposta a queste domande è legata al trasferimento di calore per irraggiamento.
Il trasferimento di calore per irraggiamento è il trasferimento di calore sotto forma di onde elettromagnetiche. Esempi di trasferimento di calore per irraggiamento includono il calore che il corpo percepisce quando si trova vicino a una stufa e il trasferimento di calore dal sole alla terra. Il sole ha una temperatura più elevata (circa 6000 Kelvin), mentre la terra ha una temperatura inferiore. Questa differenza di temperatura tra il sole e la terra fa sì che il calore si sposti dal sole (temperatura più alta) alla terra (temperatura più bassa). Se il trasferimento di calore dal sole alla terra richiedesse un mezzo intermedio, come avviene per la conduzione e la convezione, il calore non raggiungerebbe la terra; dovrebbe attraversare il vuoto (o quasi). Senza l'apporto di calore del sole, la vita sulla Terra non esisterebbe, poiché la vita richiede energia.
Un altro esempio di trasferimento di calore per irraggiamento è il calore che percepiamo quando siamo vicini a una fiamma. Il calore che sentiamo non è causato dal surriscaldamento dell'aria da parte della fiamma. Come spiegato in precedenza, l'aria calda si espande, riducendo la sua densità. Di conseguenza, l'aria con densità ridotta si muove verticalmente verso l'alto, non orizzontalmente verso di noi. Il nostro corpo si sente caldo quando siamo vicini a una fiamma perché il calore viene trasferito per irraggiamento dalla fiamma (a temperatura più elevata) al nostro corpo (a temperatura più bassa).
Il trasferimento di calore per irraggiamento è leggermente diverso dal trasferimento di calore per conduzione e convezione . Il trasferimento di calore per conduzione e convezione avviene quando oggetti a temperature diverse entrano in contatto. Al contrario, il trasferimento di calore per irraggiamento può avvenire anche senza contatto.
Formula per il trasferimento di calore per irraggiamento
Si è scoperto che la velocità di trasferimento del calore per irraggiamento è proporzionale alla superficie dell'oggetto e alla quarta potenza della sua temperatura assoluta (scala Kelvin). Gli oggetti con una superficie maggiore hanno una velocità di trasferimento del calore maggiore rispetto agli oggetti con una superficie minore. Allo stesso modo, un oggetto a 2000 Kelvin, ad esempio, ha una velocità di trasferimento del calore 2⁴ = 16 volte maggiore di un oggetto a 1000 Kelvin. Questo risultato fu scoperto da Josef Stefan nel 1879 e derivato teoricamente da Ludwig Boltzmann circa 5 anni dopo.
Descrizione: Q = Calore, t = tempo, A = Area superficiale dell'oggetto (m2), T = Temperatura assoluta dell'oggetto (K), e = Emissività (un numero adimensionale il cui valore varia da 0 a 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Costante universale. Chiamata anche costante di Stefan-Boltzmann), Q/t = velocità di trasferimento del calore per irraggiamento o velocità di irraggiamento energetico
Gli oggetti con superfici scure (neri) hanno un'emissività prossima a 1, mentre gli oggetti di colore chiaro hanno un'emissività prossima a 0. Maggiore è l'emissività di un oggetto (e prossima a 1), maggiore è la quantità di calore emessa dall'oggetto. Viceversa, minore è l'emissività di un oggetto (e prossima a 0), minore è la quantità di calore emessa. Possiamo affermare che gli oggetti di colore scuro (neri) generalmente emettono più calore degli oggetti di colore chiaro (bianchi).
L'entità dell'emissività non determina solo la capacità di un oggetto di emettere calore, ma anche la sua capacità di assorbire il calore emesso da altri oggetti. Gli oggetti con un'emissività prossima a 1 (oggetti scuri) assorbono quasi tutto il calore emesso verso di essi. Solo una piccola parte viene riflessa. Al contrario, gli oggetti con un'emissività prossima a 0 (oggetti chiari) assorbono poco del calore emesso verso di essi. La maggior parte del calore viene riflessa dall'oggetto. Gli oggetti che assorbono tutto il calore emesso verso di essi hanno un'emissività pari a 1. Questo tipo di oggetto è noto come "corpo nero". Il termine corpo nero non descrive un oggetto che è nero, ma descrive la capacità di un oggetto di assorbire tutto il calore emesso verso di esso.
