വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റം

1. വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റത്തിന്റെ നിർവചനം

ചൂടുള്ള ദിവസത്തിൽ കറുത്ത വസ്ത്രം ധരിച്ചാൽ, അല്ലെങ്കിൽ പകൽ സമയത്ത് വ്യായാമം ചെയ്യുമ്പോൾ എങ്ങനെ തോന്നും? വെളുത്ത വസ്ത്രം ധരിക്കുമ്പോൾ എങ്ങനെ തോന്നും? പകൽ കറുത്ത വസ്ത്രം ധരിച്ചാൽ നിങ്ങൾക്ക് ചൂട് അനുഭവപ്പെടും. എന്തുകൊണ്ട് അങ്ങനെ? രാവിലെ സൂര്യനും ഭൂമിയും തമ്മിലുള്ള ദൂരം പകലും വൈകുന്നേരവും സൂര്യനും ഭൂമിയും തമ്മിലുള്ള ദൂരത്തിന് ഏതാണ്ട് തുല്യമാണ്. പിന്നെ എന്തുകൊണ്ടാണ് രാവിലെയും വൈകുന്നേരവും പകൽ സമയത്ത് തണുപ്പും ചൂടും കൂടുതലായി കാണപ്പെടുന്നത്? ഈ ചോദ്യങ്ങൾക്കുള്ള ഉത്തരങ്ങൾ വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റവുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.

വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റം വൈദ്യുതകാന്തിക തരംഗങ്ങളുടെ രൂപത്തിലുള്ള താപ കൈമാറ്റമാണ്. ഒരു ചൂളയ്ക്ക് സമീപമാകുമ്പോൾ നിങ്ങളുടെ ശരീരത്തിന്റെ ചൂടും സൂര്യനിൽ നിന്ന് ഭൂമിയിലേക്കുള്ള താപ കൈമാറ്റവുമാണ് വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റത്തിന്റെ ഉദാഹരണങ്ങൾ. സൂര്യന് ഉയർന്ന താപനിലയുണ്ട് (ഏകദേശം 6000 കെൽവിൻ), അതേസമയം ഭൂമിയുടേത് താഴ്ന്ന താപനിലയാണ്. സൂര്യനും ഭൂമിയും തമ്മിലുള്ള താപനില വ്യത്യാസം സൂര്യനിൽ നിന്ന് (ഉയർന്ന താപനില) ഭൂമിയിലേക്ക് (താഴ്ന്ന താപനില) താപം നീങ്ങാൻ കാരണമാകുന്നു. സൂര്യനിൽ നിന്ന് ഭൂമിയിലേക്കുള്ള താപ കൈമാറ്റത്തിന് ഒരു മധ്യസ്ഥനോ മാധ്യമമോ ആവശ്യമാണെങ്കിൽ, ചാലകത്തിലൂടെയും സംവഹനത്തിലൂടെയും താപ കൈമാറ്റം നടക്കുന്നതിനാൽ, താപം ഭൂമിയിൽ എത്താൻ കഴിയില്ല; താപം ഒരു ശൂന്യതയിലൂടെ കടന്നുപോകണം (അല്ലെങ്കിൽ മിക്കവാറും ശൂന്യമാണ്). സൂര്യനിൽ നിന്ന് താപം ഇല്ലെങ്കിൽ, ഭൂമിയിൽ ജീവൻ ഒരിക്കലും നിലനിൽക്കില്ല, കാരണം ജീവന് സൂര്യനിൽ നിന്ന് ഊർജ്ജം ആവശ്യമാണ്.

വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റത്തിന്റെ മറ്റൊരു ഉദാഹരണമാണ് നമ്മൾ ഒരു ജ്വാലയുടെ അടുത്തായിരിക്കുമ്പോൾ അനുഭവപ്പെടുന്ന താപം. ജ്വാല മൂലമുണ്ടാകുന്ന അമിതമായ വായു മൂലമല്ല നമുക്ക് അനുഭവപ്പെടുന്ന താപം. മുമ്പ് വിശദീകരിച്ചതുപോലെ, ചൂടുള്ള വായു വികസിക്കുകയും സാന്ദ്രത കുറയുകയും ചെയ്യും. തൽഫലമായി, കുറഞ്ഞ സാന്ദ്രതയുള്ള വായു നമ്മുടെ നേരെ തിരശ്ചീനമായി നീങ്ങുന്നതിനുപകരം ലംബമായി മുകളിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു. ജ്വാലയുടെ അടുത്തായിരിക്കുമ്പോൾ നമ്മുടെ ശരീരം ചൂടോ ചൂടോ അനുഭവപ്പെടുന്നു, കാരണം ജ്വാലയിൽ നിന്ന് (ഉയർന്ന താപനില) നമ്മുടെ ശരീരത്തിലേക്ക് (താഴ്ന്ന താപനില) വികിരണം വഴി ചൂട് നീങ്ങുന്നു.

ചാലകത്തിലൂടെയും സംവഹനത്തിലൂടെയുമുള്ള താപ കൈമാറ്റവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റം അല്പം വ്യത്യസ്തമാണ്. താപനില വ്യത്യാസങ്ങളുള്ള വസ്തുക്കൾ പരസ്പരം സ്പർശിക്കുമ്പോഴാണ് ചാലകത്തിലൂടെയും സംവഹനത്തിലൂടെയും താപ കൈമാറ്റം സംഭവിക്കുന്നത്. മറുവശത്ത്, സ്പർശനം കൂടാതെ തന്നെ വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റം സംഭവിക്കാം.

2. വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റത്തിന്റെ സമവാക്യം

വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റ നിരക്ക് വസ്തുവിന്റെ വിസ്തീർണ്ണത്തിനും വസ്തുവിന്റെ കേവല താപനിലയ്ക്കും (കെൽവിൻ സ്കെയിൽ) ആനുപാതികമാണ്. ചെറിയ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണമുള്ള വസ്തുക്കളെ അപേക്ഷിച്ച് കൂടുതൽ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണമുള്ള വസ്തുക്കൾക്ക് ഉയർന്ന താപ കൈമാറ്റ നിരക്ക് ഉണ്ടായിരിക്കും.

അതുപോലെ, ഉദാഹരണത്തിന്, 2000 കെൽവിൻ താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കൾക്ക്, 1000 കെൽവിൻ താപനിലയുള്ള വസ്തുക്കളേക്കാൾ 2 ^{4 = 16 മടങ്ങ് താപ കൈമാറ്റ നിരക്ക് കൂടുതലാണ്. ഈ ഫലം 1879 ൽ ജോസഫ് സ്റ്റെഫാൻ കണ്ടെത്തി, ഏകദേശം അഞ്ച് വർഷത്തിന് ശേഷം ലുഡ്‌വിഗ് ബോൾട്ട്സ്മാൻ സൈദ്ധാന്തികമായി ഉരുത്തിരിഞ്ഞു.}

Q = താപം, t = സമയം, A = വസ്തുവിന്റെ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം (m ² ), T = വസ്തുവിന്റെ കേവല താപനില (K) e = എമിസിവിറ്റി (0 മുതൽ 1 വരെയുള്ള വലുപ്പമുള്ള മാനമില്ലാത്ത സംഖ്യ), σ = 5.67 x 10 ^-8 W/m ² .K ⁴ (സാർവത്രിക സ്ഥിരാങ്കം. സ്റ്റെഫാൻ-ബോൾട്ട്സ്മാൻ സ്ഥിരാങ്കം എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു), Q/t = വികിരണം വഴിയുള്ള താപ കൈമാറ്റ നിരക്ക്

ഇരുണ്ട പ്രതലങ്ങളുള്ള (കറുപ്പ്) വസ്തുക്കളുടെ വികിരണം 1 ന് അടുത്താണ്, അതേസമയം ഇളം നിറമുള്ള വസ്തുക്കളുടെ വികിരണം 0 ന് അടുത്താണ്. ഒരു വസ്തുവിന്റെ വികിരണം (e 1 ന് അടുത്ത് എത്തുന്നു), വസ്തു പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന താപ നിരക്ക് വർദ്ധിക്കുന്നു. നേരെമറിച്ച്, ഒരു വസ്തുവിന്റെ വികിരണം (e 0 ന് അടുത്ത് എത്തുന്നു), താപ നിരക്ക് കുറയുന്നു. ഇരുണ്ട നിറമുള്ള വസ്തുക്കൾ (കറുപ്പ്) സാധാരണയായി ഇളം നിറമുള്ള വസ്തുക്കളേക്കാൾ (വെളുപ്പ്) കൂടുതൽ താപം പുറപ്പെടുവിക്കുന്നുവെന്ന് നമുക്ക് പറയാം.

ഒരു വസ്തുവിന്റെ താപം പുറപ്പെടുവിക്കാനുള്ള കഴിവ് മാത്രമല്ല, മറ്റ് വസ്തുക്കൾ പുറത്തുവിടുന്ന താപം ആഗിരണം ചെയ്യാനുള്ള കഴിവും നിർണ്ണയിക്കുന്നത് വികിരണത്തിന്റെ അളവാണ്. 1 ന് അടുത്ത് (ഇരുണ്ട നിറമുള്ള വസ്തുക്കൾ) വികിരണശേഷിയുള്ള വസ്തുക്കൾ അവയിൽ നിന്ന് പുറത്തുവിടുന്ന മിക്കവാറും എല്ലാ താപത്തെയും ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. ഒരു ചെറിയ ഭാഗം മാത്രമേ പ്രതിഫലിക്കൂ. നേരെമറിച്ച്, 0 ന് അടുത്ത് (ഇളം നിറമുള്ള വസ്തുക്കൾ) വികിരണശേഷിയുള്ള വസ്തുക്കൾ അവയിൽ നിന്ന് പുറത്തുവിടുന്ന കുറച്ച് താപത്തെ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. മിക്ക താപവും വസ്തു പ്രതിഫലിപ്പിക്കുന്നു. അതിൽ നിന്ന് പുറത്തുവിടുന്ന എല്ലാ താപത്തെയും ആഗിരണം ചെയ്യുന്ന ഒരു വസ്തുവിന് വികിരണശേഷി = 1 ഉണ്ട്. ഈ തരത്തിലുള്ള വസ്തുവിനെ "കറുത്ത വസ്തു" എന്ന് വിളിക്കുന്നു. കറുത്ത വസ്തു എന്ന പദം വസ്തുക്കൾ കറുത്തതാണെന്ന് വിശദീകരിക്കുന്നില്ല, മറിച്ച് അവയിൽ നിന്ന് പുറത്തുവിടുന്ന എല്ലാ താപത്തെയും ആഗിരണം ചെയ്യാനുള്ള വസ്തുക്കളുടെ കഴിവിനെ വിശദീകരിക്കുന്നു.

3. സൂര്യൻ പുറത്തുവിടുന്ന താപത്തിന്റെ നിരക്ക്

കണക്കുകൂട്ടലുകളുടെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ (യാഥാർത്ഥ്യമനുസരിച്ച്), സൂര്യനിൽ നിന്ന് ഭൂമിയിലേക്ക് നീങ്ങുന്ന ഒരു ചതുരശ്ര മീറ്ററിന് സെക്കൻഡിൽ 1350 ജൂൾസ് താപം ഉണ്ടെന്ന് കണ്ടെത്തി. ഒരു പ്രകാശമുള്ള ദിവസം (മേഘങ്ങളില്ല), ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ എത്തുന്ന ഒരു ചതുരശ്ര മീറ്ററിന് സെക്കൻഡിൽ 1000 ജൂൾസ് താപമുണ്ട്. ഒരു വെയിലുള്ള ദിവസം (ധാരാളം മേഘങ്ങൾ), ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷം ഏകദേശം 70% താപം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു, 30% താപം മാത്രമേ ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ എത്തുകയുള്ളൂ. ഭൂമിയുടെ അന്തരീക്ഷത്തിൽ അപ്രത്യക്ഷമാകുന്ന താപത്തിന്റെ വ്യാപ്തി നിരവധി അല്ലെങ്കിൽ കുറച്ച് മേഘങ്ങളെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. ഒരു ചതുരശ്ര മീറ്ററിന് സെക്കൻഡിൽ 1350 ജൂൾസ് എന്ന താപ അളവ് സൗര സ്ഥിരാങ്കം എന്നറിയപ്പെടുന്നു . ജൂൾസ് പെർ സെക്കൻഡ് (J/s) = വാട്ട്സ് ആയതിനാൽ, നമുക്ക് സൗര സ്ഥിരാങ്കം 1350 വാട്ട്സ് പെർ ചതുരശ്ര മീറ്ററിലേക്ക് മാറ്റിയെഴുതാം = 1350 W/m ²

സൂര്യൻ പുറത്തുവിടുന്ന താപം ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ എത്തുമ്പോൾ, ഭൂമിയും ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളും താപം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. താപ ആഗിരണ നിരക്ക് വസ്തുവിന്റെ ഉദ്‌വമനം (e), വസ്തുവിന്റെ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം, വസ്തുവിന്റെ ഉപരിതലത്തിന് ലംബമായി സൂര്യപ്രകാശം രൂപപ്പെടുത്തുന്ന കോൺ എന്നിവയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

വിവരം:
Q/t = താപ ആഗിരണ നിരക്ക്, 1000 W/m² = സൗര സ്ഥിരാങ്കം, e = വസ്തുവിന്റെ വികിരണശേഷി, A = വസ്തുവിന്റെ ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം, θ = വസ്തുവിന്റെ ഉപരിതലത്തിന് ലംബമായി വരകളുള്ള സൂര്യപ്രകാശത്താൽ രൂപപ്പെടുന്ന കോൺ,

A cos θ = ഫലപ്രദമായ വിസ്തീർണ്ണം (സൂര്യപ്രകാശത്തിന് ലംബമായി വസ്തുക്കളുടെ ഘടക ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം)

പകൽ സമയത്ത്, സൂര്യരശ്മികൾ ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിന് ലംബമായ ഒരു രേഖയുമായി സമാന്തരമായി അല്ലെങ്കിൽ ഒത്തുചേരുന്നു (രൂപീകരിച്ച കോൺ = 0).

അതിനാൽ, താഴ്ന്ന രൂപം = 0 ^o ആണ്, താപ ആഗിരണം നിരക്ക്:

ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിലേക്ക് ലംബമായി ഒരു രേഖ പതിച്ച സൂര്യപ്രകാശം രൂപം കൊള്ളുന്ന കോൺ = 0 ^o (cos 0 = 1) ആണെങ്കിൽ താപ ആഗിരണം നിരക്ക് (Q/t) പരമാവധി ആയിരിക്കും. സാധാരണയായി, സൂര്യൻ ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിലേക്ക് ലംബമായി വരുന്ന പകൽ സമയത്താണ് ഇത് സംഭവിക്കുന്നത്. അതിനാൽ, പകൽ വെളിച്ചം രാവിലെയോ വൈകുന്നേരമോ ഉള്ളതിനേക്കാൾ കൂടുതലാണെങ്കിൽ അതിശയിക്കേണ്ടതില്ല. രാവിലെയും വൈകുന്നേരവും, സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്ന കോൺ 90 ^o ന് അടുത്താണ്.

രൂപപ്പെടുന്ന കോൺ 80 ^o ആണെങ്കിൽ , താപ ആഗിരണ നിരക്ക്:

cos θ പൂജ്യത്തോട് അടുത്തായതിനാൽ രാവിലെയും വൈകുന്നേരവും താപ ആഗിരണ നിരക്ക് (Q/t) ഏറ്റവും കുറവാണ്. cos θ ചെറുതാകുമ്പോൾ താപ ആഗിരണ നിരക്ക് കുറയും.

പടിഞ്ഞാറൻ ചക്രവാളത്തിൽ സൂര്യാസ്തമയ സമയത്ത് അല്ലെങ്കിൽ കിഴക്കൻ ചക്രവാളത്തിൽ ഉദിക്കാൻ തുടങ്ങുമ്പോൾ, സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്ന കോൺ = 90 ^{o ആണ്}.

രൂപപ്പെടുന്ന കോൺ 90 ^o ആയതിനാൽ , താപ ആഗിരണ നിരക്ക്:

സൂര്യാസ്തമയത്തിലോ ഉയരാൻ പോകുന്ന സമയത്തോ താപ ആഗിരണ നിരക്ക് (Q/t) = 0.