1. Дефиниција на пренос на топлина со зрачење
Како се чувствувате ако носите црна облека во жежок ден или кога вежбате во текот на денот? Споредете го тоа со тоа кога носите бела облека? Ако носите црна облека во текот на денот, тогаш ви е жешко. Зошто е тоа така? Растојанието помеѓу сонцето и земјата наутро е скоро исто како и растојанието помеѓу сонцето и земјата во текот на денот и навечер. Тогаш зошто утрата и вечерите се постудени, а потопли во текот на денот? Одговорите на овие прашања се поврзани со преносот на топлина преку зрачење.
Преносот на топлина со зрачење е пренос на топлина во форма на електромагнетни бранови. Примери за пренос на топлина со зрачење се топлината на вашето тело кога сте во близина на печка и преносот на топлина од сонцето кон земјата. Сонцето има повисока температура (околу 6000 Келвини), додека Земјата има пониска температура. Температурната разлика помеѓу сонцето и земјата предизвикува топлината да се движи од сонцето (повисока температура) кон земјата (пониска температура). Ако преносот на топлина од сонцето кон земјата бара посредник или медиум, како преносот на топлина преку спроводливост и конвекција, топлината не може да стигне до Земјата; топлината мора да помине низ вакуум (или речиси празен). Ако нема топлина од сонцето, животот на Земјата никогаш нема да постои бидејќи животот бара енергија од сонцето.
Друг пример за пренос на топлина преку зрачење е топлината што ја чувствуваме кога сме во близина на пламен. Топлината што ја чувствуваме не е предизвикана од прегреан воздух поради пламен. Како што беше претходно објаснето, топлиот воздух ќе се прошири така што густината ќе се намали. Како резултат на тоа, воздухот со намалена густина се движи вертикално нагоре, а не хоризонтално кон нас. Нашето тело се чувствува топло или жешко кога е во близина на пламенот бидејќи топлината се движи преку зрачење од пламенот (повисока температура) до нашето тело (пониска температура).
Преносот на топлина преку зрачење е малку поинаков во споредба со преносот на топлина преку спроводливост и конвекција. Преносот на топлина преку спроводливост и конвекција се случува кога предметите што имаат температурни разлики се допираат едни со други. Од друга страна, преносот на топлина преку зрачење може да се случи без допир.
2. Равенката на пренос на топлина со зрачење
Стапката на пренос на топлина преку зрачење е пропорционална на површината на објектот и апсолутната температура (Келвинова скала) на објектот. Објектите што имаат поголема површина имаат поголема брзина на пренос на топлина од објектите што имаат помала површина.
Слично на тоа, објектите со температура од 2000 Келвини, на пример, имаат брзина на пренос на топлина од 2 4 = 16 пати поголема од објектите со температура од 1000 Келвини. Овој резултат го открил Јозеф Стефан во 1879 година, а теоретски го извел Лудвиг Болцман околу пет години подоцна.
Q = топлина, t = време, A = површина на објектот (m2 ) , T = апсолутна температура на објектот (K) e = емисивност (бездимензионален број чија големина се движи од 0 до 1), σ = 5.67 x 10 -8 W /m2.K4 ( Универзална константа. Исто така се нарекува Стефан-Болцманова константа), Q/t = брзина на пренос на топлина со зрачење
Предметите со темни површини (црна) имаат емисивност блиску до 1, додека предметите со светла боја имаат емисивност блиску до 0. Колку е поголема емисивноста на предметот (e се приближува кон 1), толку е поголема брзината на емисија на топлина од предметот. Обратно, колку е помала емисивноста на предметот (e се приближува кон 0), толку е помала брзината на емисија на топлина. Можеме да кажеме дека предметите со темна боја (црна) обично емитираат повеќе топлина од предметите со светла боја (бела).
Количината на емисивност не само што ја одредува способноста на објектот да емитува топлина, туку и способноста на објектот да апсорбира топлина емитирана од други објекти. Објектите што имаат емисивност близу до 1 (темнобојни објекти) ја апсорбираат речиси целата топлина емитирана врз нив. Само мал дел се рефлектира. Обратно, објектите што имаат емисивност близу до 0 (светлобојни објекти) апсорбираат малку топлина емитирана врз нив. Поголемиот дел од топлината се рефлектира од објектот. Објект што ја апсорбира целата топлина емитирана врз него има емисивност = 1. Овој тип на објект е познат како „црн објект“. Терминот црн објект не објаснува дека објектите се црни, туку ја објаснува способноста на објектите да ја апсорбираат целата топлина емитирана врз нив.
3. Стапката на топлина што ја емитува сонцето
Врз основа на пресметки (според реалноста), откриено е дека од сонцето кон земјата се движела топлина од 1350 џули во секунда на квадратен метар. Во светол ден (без облаци), на површината на земјата пристигнува топлина од 1000 џули во секунда на квадратен метар. Во сончев ден (со многу облаци), околу 70% од топлината се апсорбира од земјината атмосфера, само 30% од топлината пристигнува на површината на земјата. Големината на топлината што исчезнува во земјината атмосфера зависи од многу или од малкуте облаци. Количината на топлина од 1350 џули во секунда на квадратен метар е позната како сончева константа . Бидејќи џули во секунда (J/s) = вати, тогаш можеме да ја препишеме сончевата константа на 1350 вати на квадратен метар = 1350 W/m2.
Кога топлината што ја емитува сонцето ќе стигне до површината на Земјата, топлината се апсорбира од Земјата и предметите на површината на Земјата. Стапката на апсорпција на топлина зависи од емисивноста (e) на предметот, површината на предметот и аголот што го формира сончевата светлина со линија нормална на површината на предметот.
Информации:
Q/t = стапка на апсорпција на топлина, 1000 W/m2 = сончева константа, e = емисивност на објектот, A = површина на објектот, θ = агол формиран од сончева светлина со линии нормални на површината на објектот,
A cos θ = ефективна површина (компонентна површина на објектите нормална на сончевата светлина)
Во текот на денот, сончевите зраци се паралелни или се совпаѓаат со линија нормална на површината на Земјата (формиран агол = 0).
Долниот формиран = 0 o , затоа, стапката на апсорпција на топлина е:
Стапката на апсорпција на топлина (Q/t) е максимална ако аголот формиран од сончевата светлина со линија нормална на површината на Земјата = 0 ° (cos 0 = 1). Обично, ова се случува во текот на денот, каде што сонцето е нормално на површината на Земјата. Значи, нема потреба да се изненадувате ако дневната светлина е потопла од утрото или вечерта. Наутро и навечер, создадениот агол е близу 90 °.
Ако формираниот агол е 80 ° , тогаш стапката на апсорпција на топлина е:
Стапката на апсорпција на топлина (Q/t) наутро и навечер е минимална бидејќи cos θ е блиску до нула. Колку е помал cos θ, толку е помала стапката на апсорпција на топлина.
При зајдисонце на западниот хоризонт или пред изгрејсонце на источниот хоризонт, создадениот агол е = 90 °.
Бидејќи формираниот агол е 90 ° , стапката на апсорпција на топлина е:
Стапка на апсорпција на топлина (Q/t) при зајдисонце или пред изгрејсонце = 0.
