1. Šilumos perdavimo spinduliuote apibrėžimas
Koks jausmas apima, jei karštą dieną dėvite juodus drabužius arba sportuojate dienos metu? Palyginkite su tuo, kada dėvite baltus drabužius? Jei dieną dėvite juodus drabužius, vadinasi, jaučiatės karšta. Kodėl taip yra? Atstumas tarp saulės ir žemės ryte yra beveik toks pat, kaip atstumas tarp saulės ir žemės dieną ir vakare. Tai kodėl rytai ir vakarai vėsesni, o dieną – karštesni? Atsakymai į šiuos klausimus susiję su šilumos perdavimu spinduliuote.
Šilumos perdavimas spinduliuote yra šilumos perdavimas elektromagnetinių bangų pavidalu. Šilumos perdavimo spinduliuote pavyzdžiai yra jūsų kūno šiluma, kai esate šalia krosnies, ir šilumos perdavimas iš saulės į Žemę. Saulės temperatūra yra aukštesnė (apie 6000 kelvinų), o Žemės – žemesnė. Dėl temperatūrų skirtumo tarp saulės ir Žemės šiluma pereina iš saulės (aukštesnė temperatūra) į Žemę (žemesnė temperatūra). Jei šilumos perdavimui iš saulės į Žemę reikalingas tarpininkas arba terpė, kaip šilumos perdavimas laidumu ir konvekcija, šiluma negali pasiekti Žemės; šiluma turi praeiti per vakuumą (arba beveik tuštumą). Jei nėra šilumos iš saulės, gyvybė Žemėje niekada neegzistuos, nes gyvybei reikalinga saulės energija.
Kitas šilumos perdavimo spinduliuote pavyzdys yra šiluma, jaučiama esant šalia liepsnos. Jaučiama šiluma neatsiranda dėl dėl liepsnos perkaitinto oro. Kaip jau buvo paaiškinta anksčiau, karštas oras plėsis, todėl sumažėja jo tankis. Dėl to sumažėjusio tankio oras juda vertikaliai aukštyn, o ne horizontaliai link mūsų. Mūsų kūnas jaučiasi šiltas arba karštas, kai yra šalia liepsnos, nes šiluma spinduliuoja nuo liepsnos (aukštesnės temperatūros) iki mūsų kūno (žemesnės temperatūros).
Šilumos perdavimas spinduliuote šiek tiek skiriasi nuo šilumos perdavimo laidumu ir konvekcija. Šilumos perdavimas laidumu ir konvekcija vyksta, kai objektai, kurių temperatūra skiriasi, liečiasi vienas su kitu. Kita vertus, šilumos perdavimas spinduliuote gali vykti ir be prisilietimo.
2. Šilumos perdavimo spinduliuote lygtis
Šilumos perdavimo spinduliuote greitis yra proporcingas objekto plotui ir absoliučiai objekto temperatūrai (Kelvino skalė). Objektai, turintys didesnį paviršiaus plotą, turi didesnį šilumos perdavimo greitį nei objektai, turintys mažesnį paviršiaus plotą.
Panašiai, pavyzdžiui, objektų, kurių temperatūra yra 2000 kelvinų, šilumos perdavimo greitis yra 2 4 = 16 kartų didesnis nei objektų, kurių temperatūra yra 1000 kelvinų. Šį rezultatą 1879 m. atrado Josefas Stefanas, o maždaug po penkerių metų teoriškai jį išvedė Ludwigas Boltzmannas.
Q = šiluma, t = laikas, A = objekto paviršiaus plotas (m² ) , T = objekto absoliuti temperatūra (K), e = spinduliavimo koeficientas (bematis skaičius, kurio dydis svyruoja nuo 0 iki 1), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W /m² · K⁴ (universalioji konstanta. Taip pat vadinama Stefano-Bolcmano konstanta), Q/t = šilumos perdavimo spinduliuote greitis.
Tamsių (juodų) paviršių objektų spinduliavimo geba artima 1, o šviesių – 0. Kuo didesnis objekto spinduliavimo geba (e artėja prie 1), tuo didesnis objekto skleidžiamas šilumos greitis. Ir atvirkščiai, kuo mažesnis objekto spinduliavimo geba (e artėja prie 0), tuo mažesnis skleidžiamas šilumos greitis. Galime sakyti, kad tamsios spalvos objektai (juodi) paprastai skleidžia daugiau šilumos nei šviesios spalvos objektai (balti).
Spinduliavimo gebos dydis ne tik lemia objekto gebėjimą skleisti šilumą, bet ir objekto gebėjimą sugerti kitų objektų skleidžiamą šilumą. Objektai, kurių spinduliavimo geba artima 1 (tamsios spalvos objektai), sugeria beveik visą ant jų skleidžiamą šilumą. Tik maža dalis atsispindi. Ir atvirkščiai, objektai, kurių spinduliavimo geba artima 0 (šviesios spalvos objektai), sugeria šiek tiek ant jų skleidžiamos šilumos. Didžiąją dalį šilumos objektas atspindi. Objektas, kuris sugeria visą ant jo skleidžiamą šilumą, turi spinduliavimo gebą, lygią 1. Šis objekto tipas vadinamas „juodu objektu“. Terminas „juodas objektas“ nepaaiškina, kad objektai yra juodi, bet paaiškina objektų gebėjimą sugerti visą ant jų skleidžiamą šilumą.
3. Saulės skleidžiamos šilumos greitis
Remiantis skaičiavimais (atsižvelgiant į realybę), nustatyta, kad iš Saulės į Žemę sklido 1350 džaulių per sekundę šilumos kvadratiniam metrui. Šviesią dieną (be debesų) Žemės paviršių pasiekia 1000 džaulių per sekundę šilumos kvadratiniam metrui. Saulėtą dieną (daug debesų) Žemės atmosfera sugeria apie 70 % šilumos, o į Žemės paviršių pasiekia tik 30 % šilumos. Žemės atmosferoje dingstančios šilumos kiekis priklauso nuo debesų skaičiaus. 1350 džaulių per sekundę kvadratiniam metrui šilumos kiekis vadinamas Saulės konstanta . Kadangi džauliai per sekundę (J/s) = vatai, Saulės konstantą galime perrašyti į 1350 vatų kvadratiniam metrui = 1350 W/m².
Kai saulės skleidžiama šiluma pasiekia Žemės paviršių, ją sugeria Žemė ir ant Žemės paviršiaus esantys objektai. Šilumos sugerties greitis priklauso nuo objekto spinduliavimo koeficiento (e), objekto paviršiaus ploto ir kampo, kurį saulės šviesa sudaro su linija, statmena objekto paviršiui.
informacija:
Q/t = šilumos absorbcijos greitis, 1000 W/m²2 = saulės konstanta, e = objekto spinduliavimo koeficientas, A = objekto paviršiaus plotas, θ = kampas, kurį saulės šviesa sudaro su linijomis, statmenomis objekto paviršiui,
A cos θ = efektyvus plotas (objektų, statmenų saulės šviesai, paviršiaus komponento plotas)
Dienos metu saulės spinduliai yra lygiagretūs arba sutampa su linija, statmena Žemės paviršiui (susidaręs kampas = 0).
Apatinė susidariusi = 0 o , todėl šilumos absorbcijos greitis yra:
Šilumos absorbcijos greitis (Q/t) yra maksimalus, jei saulės šviesos ir Žemės paviršiui statmenos linijos susidaro kampas yra 0 ° (cos 0 = 1). Paprastai tai vyksta dieną, kai saulė yra statmena Žemės paviršiui. Taigi, nenustebkite, jei dienos šviesa bus karštesnė nei rytas ar vakaras. Ryte ir vakare susidaręs kampas yra artimas 90 °.
Jei susidaręs kampas yra 80 ° , tai šilumos absorbcijos greitis yra:
Šilumos absorbcijos greitis (Q/t) ryte ir vakare yra minimalus, nes cos θ yra artimas nuliui. Kuo mažesnis cos θ, tuo mažesnis šilumos absorbcijos greitis.
Saulei leidžiantis vakariniame horizonte arba saulei artėjant tekant rytiniame horizonte, sukurtas kampas = 90 °.
Kadangi susidaręs kampas yra 90 ° , šilumos absorbcijos greitis yra:
Šilumos absorbcijos greitis (Q/t) saulėlydžio metu arba artėjant saulėlydžiui = 0.
