העברת חום באמצעות קרינה

1. הגדרת העברת חום באמצעות קרינה

איך זה מרגיש אם אתה לובש בגדים שחורים ביום חם, או מתי אתה מתאמן במהלך היום? השווה לזה כשאתה לובש בגדים לבנים? אם אתה לובש בגדים שחורים במהלך היום, אז אתה מרגיש חם. למה זה? המרחק בין השמש לכדור הארץ בבוקר כמעט זהה למרחק בין השמש לכדור הארץ במהלך היום והערב. אז למה הבקרים והערבים קרירים יותר, חמים יותר במהלך היום? התשובות לשאלות אלו קשורות להעברת חום באמצעות קרינה.

העברת חום באמצעות קרינה היא העברת חום בצורת גלים אלקטרומגנטיים. דוגמאות להעברת חום באמצעות קרינה הן חום הגוף שלך כשאתה נמצא ליד תנור והעברת חום מהשמש לכדור הארץ. לשמש יש טמפרטורה גבוהה יותר (בסביבות 6000 קלווין), בעוד שלכדור הארץ יש טמפרטורה נמוכה יותר. הפרש הטמפרטורות בין השמש לכדור הארץ גורם לחום לנוע מהשמש (טמפרטורה גבוהה יותר) לכדור הארץ (טמפרטורה נמוכה יותר). אם העברת חום מהשמש לכדור הארץ דורשת מתווך או תווך, כמו העברת חום באמצעות הולכה והסעה, חום לא יכול להגיע לכדור הארץ; חום חייב לעבור דרך ואקום (או כמעט ריק). אם אין חום מהשמש, חיים על כדור הארץ לעולם לא יתקיימו מכיוון שחיים דורשים אנרגיה מהשמש.

דוגמה נוספת להעברת חום באמצעות קרינה היא החום המורגש כשאנו נמצאים ליד להבה. החום שאנו חשים אינו נגרם על ידי אוויר מחומם יתר על המידה עקב להבה. כפי שהוסבר קודם לכן, אוויר חם יתרחב כך שהצפיפות שלו תפחת. כתוצאה מכך, האוויר בעל הצפיפות המופחתת נע אנכית כלפי מעלה, ולא נע אופקית לעברנו. גופנו מרגיש חם או לוהט כשהוא קרוב ללהבה מכיוון שחום נע באמצעות קרינה מהלהבה (טמפרטורה גבוהה יותר) לגופנו (טמפרטורה נמוכה יותר).

העברת חום באמצעות קרינה שונה במקצת בהשוואה להעברת חום באמצעות הולכה והסעה. העברת חום באמצעות הולכה והסעה מתרחשת כאשר עצמים בעלי הפרשי טמפרטורה נוגעים זה בזה. מצד שני, העברת חום באמצעות קרינה יכולה להתרחש ללא מגע.

2. משוואת מעבר החום באמצעות קרינה

קצב העברת החום באמצעות קרינה הוא פרופורציונלי לשטח העצם ולטמפרטורה המוחלטת (סולם קלווין) של העצם. לעצמים בעלי שטח פנים גדול יותר יש קצב העברת חום גבוה יותר מאשר לעצמים בעלי שטח פנים קטן יותר.

באופן דומה, לעצמים בטמפרטורה של 2000 קלווין, למשל, יש קצב מעבר חום גדול פי 2 ^{* 4} = 16 מאשר לעצמים בטמפרטורה של 1000 קלווין. תוצאה זו התגלתה על ידי יוזף סטפן בשנת 1879 ונגזרה תיאורטית על ידי לודוויג בולצמן כחמש שנים מאוחר יותר.

Q = חום, t = זמן, A = שטח פנים של עצם (מ"ר ⁾ , T = הטמפרטורה המוחלטת של עצם (K) e = פליטת קרינה (מספר חסר מימד שגודלו נע בין 0 ל-1), σ = 5.67 x 10-8 W ^/ m².K4 ^{( קבוע אוניברסלי .} מכונה גם קבוע סטפן-בולצמן), Q/t = קצב העברת החום באמצעות קרינה

לעצמים בעלי משטחים כהים (שחורים) יש יכולת פליטה קרובה ל-1, בעוד שלעצמים בעלי צבע בהיר יש יכולת פליטה קרובה ל-0. ככל שקיבולת הפליטה של ​​עצם גדולה יותר (e מתקרב ל-1), כך קצב החום הנפלט מהעצם גדול יותר. לעומת זאת, ככל שקיבולת הפליטה של ​​עצם קטנה יותר (e מתקרב ל-0), כך קצב החום הנפלט קטן יותר. ניתן לומר שעצמים בצבע כהה (שחורים) בדרך כלל פולטים יותר חום מאשר עצמים בצבע בהיר (לבן).

כמות הפליטה לא רק קובעת את יכולתו של עצם לפלוט חום, אלא גם את יכולתו של עצם לספוג חום הנפלט מחפצים אחרים. עצמים בעלי פליטה קרובה ל-1 (עצמים כהים) סופגים כמעט את כל החום הנפלט מהם. רק חלק קטן מוחזר. לעומת זאת, עצמים בעלי פליטה קרובה ל-0 (עצמים בהירים) סופגים מעט חום הנפלט מהם. רוב החום מוחזר על ידי העצם. לעצם שבולט את כל החום הנפלט ממנו יש פליטה = 1. סוג זה של עצם מכונה "עצם שחור". המונח עצם שחור אינו מסביר שעצמים הם שחורים, אלא מסביר את יכולתם של עצמים לספוג את כל החום הנפלט מהם.

3. קצב החום הנפלט מהשמש

בהתבסס על חישובים (על פי המציאות), נמצא כי היה חום של 1350 ג'אול לשנייה למטר מרובע שנע מהשמש לכדור הארץ. ביום בהיר (ללא עננים), יש חום של 1000 ג'אול לשנייה למטר מרובע שמגיע לפני כדור הארץ. ביום שמשי (עננים רבים), כ-70% מהחום נספג על ידי אטמוספירת כדור הארץ, רק 30% מהחום מגיע לפני כדור הארץ. גודל החום שנעלם באטמוספירה של כדור הארץ תלוי בעננים רבים או מעטים. כמות החום של 1350 ג'אול לשנייה למטר מרובע ידועה כקבוע השמש . מכיוון שג'אול לשנייה (J/s) = וואט, נוכל לכתוב מחדש את קבוע השמש ל-1350 וואט למטר מרובע = 1350 W/m²^.

כאשר החום הנפלט מהשמש מגיע לפני כדור הארץ, החום נספג על ידי כדור הארץ ועל ידי עצמים הנמצאים על פני כדור הארץ. קצב ספיגת החום תלוי בעוצמת הפליטה (e) של העצם, בשטח הפנים של העצם ובזווית שנוצרת על ידי אור השמש עם קו הניצב לפני השטח של העצם.

מידע:
Q/t = קצב ספיגת חום, 1000 וואט/מ"ר² = קבוע השמש, e = פליטת העצם, A = שטח הפנים של העצם, θ = זווית הנוצרת על ידי אור השמש עם קווים הניצבים לפני השטח של העצם,

A cos θ = שטח אפקטיבי (שטח פנים של רכיבים של עצמים בניצב לאור השמש)

במהלך היום, קרני השמש מקבילות או חופפות לקו הניצב לפני כדור הארץ (זווית נוצרת = 0).

הנוצר התחתון = 0 ^o , לכן, קצב ספיגת החום הוא:

קצב ספיגת החום (Q/t) הוא מקסימלי אם הזווית שנוצרת על ידי אור השמש עם קו הניצב לפני כדור הארץ = 0 ^מעלות (cos 0 = 1). בדרך כלל, זה קורה במהלך היום, כאשר השמש ניצבת לפני כדור הארץ. לכן, אין צורך להיות מופתעים אם אור היום חם יותר מאשר בבוקר או בערב. בבוקר ובערב, הזווית שנוצרת קרובה ל-90 ^מעלות.

אם הזווית שנוצרת היא 80 ^מעלות , אז קצב ספיגת החום הוא:

קצב ספיגת החום (Q/t) בבוקר ובערב הוא מינימלי מכיוון ש-cos θ קרוב לאפס. ככל ש-cos θ קטן יותר, כך קצב ספיגת החום קטן יותר.

בשקיעה באופק המערבי או לקראת זריחה באופק המזרחי, הזווית שנוצרת היא = 90 ^מעלות.

מכיוון שהזווית שנוצרת היא 90 ^מעלות , קצב ספיגת החום הוא:

קצב ספיגת חום (Q/t) בשקיעה או לקראת עלייה = 0.