Hoe voelt het als je op een warme dag zwarte kleding draagt, of als je overdag aan het sporten bent? Vergelijk dat eens met witte kleding. Als je overdag zwarte kleding draagt, krijg je het al snel warm. Hoe komt dat? De afstand tussen de zon en de aarde is 's ochtends vrijwel gelijk aan de afstand tussen de zon en de aarde 's middags en 's avonds. Waarom is het 's ochtends en 's avonds dan koeler en 's middags warmer? Het antwoord op deze vragen heeft te maken met warmteoverdracht door straling.
Warmteoverdracht door straling is de overdracht van warmte in de vorm van elektromagnetische golven. Voorbeelden van warmteoverdracht door straling zijn de warmte die je lichaam voelt wanneer je in de buurt van een kachel bent en de warmteoverdracht van de zon naar de aarde. De zon heeft een hogere temperatuur (ongeveer 6000 Kelvin), terwijl de aarde een lagere temperatuur heeft. Dit temperatuurverschil tussen de zon en de aarde zorgt ervoor dat warmte van de zon (hogere temperatuur) naar de aarde (lagere temperatuur) stroomt. Als warmteoverdracht van de zon naar de aarde een tussenpersoon, of medium, zou vereisen, zoals bij warmteoverdracht door geleiding en convectie, dan zou de warmte de aarde niet bereiken; ze zou door een vacuüm (of bijna een vacuüm) moeten gaan. Zonder de warmte van de zon zou er geen leven op aarde mogelijk zijn, aangezien leven energie vereist.
Een ander voorbeeld van warmteoverdracht door straling is de warmte die we voelen wanneer we in de buurt van een vlam zijn. De warmte die we voelen wordt niet veroorzaakt doordat de lucht door de vlam oververhit raakt. Zoals eerder uitgelegd, zet warme lucht uit, waardoor de dichtheid afneemt. Als gevolg hiervan beweegt de lucht met een lagere dichtheid verticaal omhoog, niet horizontaal naar ons toe. Ons lichaam voelt warm of heet aan wanneer we in de buurt van een vlam zijn, omdat warmte door straling van de vlam (hogere temperatuur) naar ons lichaam (lagere temperatuur) wordt overgedragen.
Warmteoverdracht door straling verschilt enigszins van warmteoverdracht door geleiding en convectie . Warmteoverdracht door geleiding en convectie vindt plaats wanneer objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact komen. Warmteoverdracht door straling kan daarentegen plaatsvinden zonder direct contact.
De formule voor warmteoverdracht door straling
De snelheid waarmee warmte door straling wordt overgedragen, blijkt evenredig te zijn met het oppervlak van het object en de vierde macht van de absolute temperatuur van het object (op de Kelvin-schaal). Objecten met een groter oppervlak hebben een hogere warmteoverdrachtssnelheid dan objecten met een kleiner oppervlak. Zo heeft een object van 2000 Kelvin bijvoorbeeld een warmteoverdrachtssnelheid die 2⁴ = 16 keer groter is dan die van een object van 1000 Kelvin. Dit resultaat werd in 1879 ontdekt door Josef Stefan en ongeveer vijf jaar later theoretisch afgeleid door Ludwig Boltzmann.
Beschrijving: Q = Warmte, t = tijd, A = Oppervlakte van het object (m²)2), T = Absolute temperatuur van het object (K), e = Emissiviteit (een dimensieloos getal waarvan de waarde varieert van 0 tot 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Universele constante. Ook wel de Stefan-Boltzmannconstante genoemd), Q/t = snelheid van warmteoverdracht door straling of snelheid van energiestraling
Objecten met een donker oppervlak (zwart) hebben een emissiviteit dicht bij 1, terwijl lichtgekleurde objecten een emissiviteit dicht bij 0 hebben. Hoe groter de emissiviteit van een object (e dicht bij 1), hoe groter de hoeveelheid warmte die het object afgeeft. Omgekeerd geldt dat hoe kleiner de emissiviteit van een object (e dicht bij 0), hoe kleiner de hoeveelheid warmte die het object afgeeft. We kunnen dus stellen dat donkergekleurde objecten (zwart) over het algemeen meer warmte afgeven dan lichtgekleurde objecten (wit).
De emissiviteit bepaalt niet alleen het vermogen van een object om warmte uit te stralen, maar ook het vermogen van een object om warmte te absorberen die door andere objecten wordt uitgestraald. Objecten met een emissiviteit dicht bij 1 (donkere objecten) absorberen bijna alle warmte die op hen wordt uitgestraald. Slechts een klein deel wordt gereflecteerd. Omgekeerd absorberen objecten met een emissiviteit dicht bij 0 (lichte objecten) weinig van de warmte die op hen wordt uitgestraald. Het grootste deel van de warmte wordt door het object gereflecteerd. Objecten die alle warmte die op hen wordt uitgestraald absorberen, hebben een emissiviteit van 1. Dit type object staat bekend als een "zwart lichaam". De term zwart lichaam beschrijft niet een object dat zwart is, maar beschrijft het vermogen van een object om alle warmte die erop wordt uitgestraald te absorberen.
