१. प्रारणाद्वारे उष्णता हस्तांतरणाची व्याख्या
उष्ण दिवशी काळे कपडे घातल्यावर किंवा दिवसा व्यायाम करताना कसे वाटते? पांढरे कपडे घातल्याच्या अनुभवाशी तुलना करा. दिवसा काळे कपडे घातल्यास तुम्हाला गरम वाटते. असे का होते? सकाळी सूर्य आणि पृथ्वीमधील अंतर हे दिवसा आणि संध्याकाळच्या सूर्य आणि पृथ्वीमधील अंतराएवढेच असते. मग सकाळ आणि संध्याकाळ थंड, तर दिवसा जास्त गरम का असते? या प्रश्नांची उत्तरे प्रारणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणाशी संबंधित आहेत.
विकिरणाद्वारे होणारे उष्णता हस्तांतरण म्हणजे विद्युत चुंबकीय लहरींच्या स्वरूपात होणारे उष्णता हस्तांतरण होय. विकिरणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणाची उदाहरणे म्हणजे, भट्टीजवळ असताना तुमच्या शरीराला लागणारी ऊब आणि सूर्यापासून पृथ्वीकडे होणारे उष्णता हस्तांतरण. सूर्याचे तापमान जास्त (सुमारे ६००० केल्विन) असते, तर पृथ्वीचे तापमान कमी असते. सूर्य आणि पृथ्वी यांच्या तापमानातील फरकामुळे उष्णता सूर्याकडून (जास्त तापमान) पृथ्वीकडे (कमी तापमान) जाते. जर सूर्यापासून पृथ्वीकडे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणासाठी एखाद्या मध्यस्थाची किंवा माध्यमाची आवश्यकता असेल, जसे की वहन आणि अभिसरणाद्वारे होणारे उष्णता हस्तांतरण, तर उष्णता पृथ्वीपर्यंत पोहोचू शकत नाही; उष्णतेला निर्वात पोकळीतून (किंवा जवळजवळ रिकाम्या जागेतून) जावे लागते. जर सूर्यापासून उष्णता मिळाली नाही, तर पृथ्वीवर जीवसृष्टी कधीच अस्तित्वात येणार नाही, कारण जीवसृष्टीला सूर्यापासून मिळणाऱ्या ऊर्जेची आवश्यकता असते.
प्रारणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणाचे आणखी एक उदाहरण म्हणजे ज्योतीच्या जवळ असताना जाणवणारी उष्णता. आपल्याला जाणवणारी उष्णता ही ज्योतीमुळे हवा जास्त गरम झाल्याने होत नाही. आधी स्पष्ट केल्याप्रमाणे, गरम हवा प्रसरण पावते, ज्यामुळे तिची घनता कमी होते. परिणामी, कमी घनतेची हवा आपल्याकडे आडव्या दिशेने न येता, उभ्या दिशेने वरच्या बाजूला जाते. ज्योतीच्या जवळ असताना आपले शरीर उबदार किंवा गरम वाटते, कारण उष्णता प्रारणाच्या मार्गाने ज्योतीकडून (उच्च तापमान) आपल्या शरीराकडे (कमी तापमान) जाते.
विकिरणाद्वारे होणारे उष्णता हस्तांतरण हे वहन आणि अभिसरणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणापेक्षा थोडे वेगळे असते. जेव्हा तापमानातील फरक असलेल्या वस्तू एकमेकांना स्पर्श करतात, तेव्हा वहन आणि अभिसरणाद्वारे उष्णता हस्तांतरण होते. याउलट, विकिरणाद्वारे होणारे उष्णता हस्तांतरण स्पर्शाशिवाय देखील होऊ शकते.
२. प्रारणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणाचे समीकरण
विकिरणाद्वारे होणाऱ्या उष्णता हस्तांतरणाचा दर हा वस्तूचे क्षेत्रफळ आणि वस्तूचे निरपेक्ष तापमान (केल्विन स्केल) यांच्या समानुपाती असतो. कमी पृष्ठभाग क्षेत्रफळ असलेल्या वस्तूंपेक्षा जास्त पृष्ठभाग क्षेत्रफळ असलेल्या वस्तूंमध्ये उष्णता हस्तांतरणाचा दर जास्त असतो.
त्याचप्रमाणे, उदाहरणार्थ, २००० केल्विन तापमान असलेल्या वस्तूंचा उष्णता हस्तांतरणाचा दर, १००० केल्विन तापमान असलेल्या वस्तूंपेक्षा २⁴ = १६ पट जास्त असतो . हा निष्कर्ष १८७९ मध्ये जोसेफ स्टीफन यांनी शोधला आणि सुमारे पाच वर्षांनंतर लुडविग बोल्ट्झमन यांनी तो सैद्धांतिकरित्या सिद्ध केला.
Q = उष्णता, t = वेळ, A = वस्तूचे पृष्ठफळ (m² ) , T = वस्तूचे निरपेक्ष तापमान (K), e = उत्सर्जनक्षमता (० ते १ पर्यंतचे परिमाणहीन अंक), σ = ५.६७ x १०⁻⁸ वॅट / मीटर².केल्विन ( सार्वत्रिक स्थिरांक. याला स्टीफन-बोल्ट्झमन स्थिरांक असेही म्हणतात), Q/t = प्रारणाद्वारे उष्णता हस्तांतरणाचा दर
गडद पृष्ठभाग असलेल्या (काळ्या) वस्तूंची उत्सर्जनक्षमता १ च्या जवळ असते, तर फिकट रंगाच्या वस्तूंची उत्सर्जनक्षमता ० च्या जवळ असते. वस्तूची उत्सर्जनक्षमता जितकी जास्त असते (e १ च्या जवळ जाते), तितका त्या वस्तूद्वारे उत्सर्जित होणारा उष्णतेचा दर जास्त असतो. याउलट, वस्तूची उत्सर्जनक्षमता जितकी कमी असते (e ० च्या जवळ जाते), तितका उत्सर्जित होणारा उष्णतेचा दर कमी असतो. आपण असे म्हणू शकतो की गडद रंगाच्या (काळ्या) वस्तू सामान्यतः फिकट रंगाच्या (पांढऱ्या) वस्तूंपेक्षा जास्त उष्णता उत्सर्जित करतात.
उत्सर्जनशीलतेचे प्रमाण केवळ वस्तूची उष्णता उत्सर्जित करण्याची क्षमताच नाही, तर इतर वस्तूंनी उत्सर्जित केलेली उष्णता शोषून घेण्याची क्षमता देखील ठरवते. ज्या वस्तूंची उत्सर्जनशीलता १ च्या जवळ असते (गडद रंगाच्या वस्तू), त्या त्यांच्यावर उत्सर्जित होणारी जवळजवळ सर्व उष्णता शोषून घेतात. केवळ एक लहान भाग परावर्तित होतो. याउलट, ज्या वस्तूंची उत्सर्जनशीलता ० च्या जवळ असते (फिकट रंगाच्या वस्तू), त्या त्यांच्यावर उत्सर्जित होणारी थोडी उष्णता शोषून घेतात. बहुतेक उष्णता त्या वस्तूद्वारे परावर्तित होते. जी वस्तू तिच्यावर उत्सर्जित होणारी सर्व उष्णता शोषून घेते, तिची उत्सर्जनशीलता = १ असते. या प्रकारच्या वस्तूला "काळी वस्तू" म्हणून ओळखले जाते. 'काळी वस्तू' ही संज्ञा वस्तू काळ्या आहेत हे स्पष्ट करत नाही, तर वस्तूंची त्यांच्यावर उत्सर्जित होणारी सर्व उष्णता शोषून घेण्याची क्षमता स्पष्ट करते.
३. सूर्याद्वारे उत्सर्जित होणाऱ्या उष्णतेचा दर
वास्तविकतेनुसार केलेल्या गणनेनुसार, असे आढळून आले की सूर्यापासून पृथ्वीकडे प्रति चौरस मीटर प्रति सेकंद १३५० जूल उष्णता प्रवास करते. निरभ्र दिवशी (ढग नसताना), पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर प्रति चौरस मीटर प्रति सेकंद १००० जूल उष्णता पोहोचते. सूर्यप्रकाशित दिवशी (भरपूर ढग असताना), सुमारे ७०% उष्णता पृथ्वीच्या वातावरणाद्वारे शोषली जाते आणि केवळ ३०% उष्णता पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर पोहोचते. पृथ्वीच्या वातावरणात नाहीशी होणाऱ्या उष्णतेचे प्रमाण ढगांच्या संख्येवर किंवा कमतरतेवर अवलंबून असते. प्रति चौरस मीटर प्रति सेकंद १३५० जूल या उष्णतेच्या प्रमाणाला सौर स्थिरांक (solar constant) म्हणून ओळखले जाते. कारण जूल प्रति सेकंद (J/s) = वॅट्स, म्हणून आपण सौर स्थिरांक १३५० वॅट्स प्रति चौरस मीटर = १३५० W/m² असा पुन्हा लिहू शकतो.
जेव्हा सूर्याद्वारे उत्सर्जित होणारी उष्णता पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर पोहोचते, तेव्हा ती उष्णता पृथ्वी आणि पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील वस्तूंद्वारे शोषली जाते. उष्णता शोषणाचा दर हा वस्तूची उत्सर्जनक्षमता (e), वस्तूचे पृष्ठफळ आणि वस्तूच्या पृष्ठभागाला लंब असलेल्या रेषेशी सूर्यप्रकाशाने तयार केलेला कोन यांवर अवलंबून असतो.
माहिती:
Q/t = उष्णता शोषण दर, १००० वॅट/मीटर2 = सौर स्थिरांक, e = वस्तूची उत्सर्जनक्षमता, A = वस्तूचे पृष्ठफळ, θ = वस्तूच्या पृष्ठभागाला लंब असलेल्या रेषांशी सूर्यप्रकाशाने तयार केलेला कोन,
A cos θ = प्रभावी क्षेत्रफळ (सूर्यप्रकाशाला लंब असलेल्या वस्तूंच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ)
दिवसा, सूर्याची किरणे पृथ्वीच्या पृष्ठभागाला लंब असलेल्या रेषेला समांतर असतात किंवा तिच्याशी जुळतात (तयार झालेला कोन = 0).
खालचा तयार झालेला = 0 o , म्हणून, उष्णता शोषणाचा दर आहे:
जर सूर्यप्रकाशाने पृथ्वीच्या पृष्ठभागाला लंब असलेल्या रेषेशी तयार केलेला कोन = ० ° (cos θ = १) असेल, तर उष्णता शोषणाचा दर (Q/t) सर्वाधिक असतो. सामान्यतः, हे दिवसा घडते, जेव्हा सूर्य पृथ्वीच्या पृष्ठभागाला लंब असतो. त्यामुळे, दिवसाचा प्रकाश सकाळ किंवा संध्याकाळपेक्षा जास्त उष्ण असेल तर आश्चर्य वाटण्याचे कारण नाही. सकाळ आणि संध्याकाळी, तयार होणारा कोन जवळपास ९० ° असतो.
जर तयार झालेला कोन ८० ° असेल , तर उष्णता शोषणाचा दर आहे:
सकाळ आणि संध्याकाळच्या वेळी उष्णता शोषणाचा दर (Q/t) किमान असतो, कारण cos θ शून्याच्या जवळ असतो. cos θ जितका लहान, तितका उष्णता शोषणाचा दर कमी असतो.
पश्चिम क्षितिजावर सूर्यास्ताच्या वेळी किंवा पूर्व क्षितिजावर सूर्योदय होताना, तयार होणारा कोन = ९० अंश.
तयार झालेला कोन ९० ° असल्यामुळे , उष्णता शोषणाचा दर आहे:
सूर्यास्ताच्या वेळी किंवा उगवण्याच्या वेळी उष्णता शोषणाचा दर (Q/t) = 0.
