Jak się czujesz, nosząc czarne ubrania w upalny dzień lub ćwicząc w ciągu dnia? Porównaj to z noszeniem białych ubrań. Nosząc czarne ubrania w ciągu dnia, łatwo odczujesz gorąco. Dlaczego? Odległość między Słońcem a Ziemią rano jest prawie taka sama jak odległość między Słońcem a Ziemią w południe i wieczorem. Dlaczego więc rano i wieczorem jest chłodniej, a po południu cieplej? Odpowiedź na te pytania wiąże się z przenoszeniem ciepła przez promieniowanie.
Radiacyjne przenoszenie ciepła to przenoszenie ciepła w postaci fal elektromagnetycznych. Przykładami radiacyjnego przenoszenia ciepła są ciepło odczuwane przez ciało w pobliżu pieca oraz przenoszenie ciepła ze słońca na ziemię. Słońce ma wyższą temperaturę (około 6000 kelwinów), podczas gdy ziemia ma niższą temperaturę. Ta różnica temperatur między słońcem a ziemią powoduje, że ciepło przemieszcza się od słońca (wyższa temperatura) na ziemię (niższa temperatura). Gdyby przenoszenie ciepła ze słońca na ziemię wymagało pośrednika lub ośrodka, tak jak ma to miejsce w przypadku przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję, wówczas ciepło nie dotarłoby do ziemi; musiałoby przejść przez próżnię (lub prawie próżnię). Bez dostarczania ciepła przez słońce życie na ziemi nie istniałoby, ponieważ życie wymaga energii.
Innym przykładem przenoszenia ciepła przez promieniowanie jest ciepło odczuwane przez nas w pobliżu płomienia. Ciepło, które odczuwamy, nie jest spowodowane przegrzaniem powietrza przez płomień. Jak wyjaśniono wcześniej, gorące powietrze rozszerza się, zmniejszając swoją gęstość. W rezultacie powietrze o zmniejszonej gęstości porusza się pionowo w górę, a nie poziomo w naszym kierunku. Nasze ciała odczuwają ciepło lub gorąco, gdy jesteśmy w pobliżu płomienia, ponieważ ciepło jest przenoszone przez promieniowanie z płomienia (wyższa temperatura) do naszego ciała (niższa temperatura).
Przenoszenie ciepła przez promieniowanie różni się nieznacznie od przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję . Przenoszenie ciepła przez przewodzenie i konwekcję zachodzi, gdy ciała o różnych temperaturach stykają się ze sobą. Natomiast przenoszenie ciepła przez promieniowanie może zachodzić bezkontaktowo.
Wzór na przenoszenie ciepła przez promieniowanie
Szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie jest proporcjonalna do powierzchni obiektu i czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej (w skali Kelvina). Obiekty o większej powierzchni charakteryzują się większą szybkością wymiany ciepła niż obiekty o mniejszej powierzchni. Podobnie, obiekt o temperaturze 2000 kelwinów ma szybkość wymiany ciepła 2 4 = 16 razy większą niż obiekt o temperaturze 1000 kelwinów. Wynik ten został odkryty przez Josefa Stefana w 1879 roku i teoretycznie wyprowadzony przez Ludwiga Boltzmanna około 5 lat później.
Opis: Q = ciepło, t = czas, A = powierzchnia obiektu (m2), T = Temperatura bezwzględna obiektu (K), e = Emisyjność (liczba bezwymiarowa, której wartość mieści się w przedziale od 0 do 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Stała uniwersalna. Nazywana także stałą Stefana-Boltzmanna), Q/t = szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie lub szybkość promieniowania energii
Obiekty o ciemnych powierzchniach (czarne) mają emisyjność bliską 1, natomiast obiekty jasne mają emisyjność bliską 0. Im większa emisyjność obiektu (e bliska 1), tym większa szybkość emitowania ciepła przez obiekt. I odwrotnie, im mniejsza emisyjność obiektu (e bliska 0), tym mniejsza szybkość emitowania ciepła. Można powiedzieć, że obiekty ciemne (czarne) zazwyczaj emitują więcej ciepła niż obiekty jasne (białe).
Wielkość emisyjności nie tylko określa zdolność obiektu do emitowania ciepła, ale także zdolność obiektu do pochłaniania ciepła emitowanego przez inne obiekty. Obiekty o emisyjności bliskiej 1 (obiekty ciemne) pochłaniają prawie całe emitowane do nich ciepło. Tylko niewielka część ulega odbiciu. Natomiast obiekty o emisyjności bliskiej 0 (obiekty jasne) pochłaniają niewiele emitowanego do nich ciepła. Większość ciepła jest odbijana przez obiekt. Obiekty, które pochłaniają całe emitowane do nich ciepło, mają emisyjność równą 1. Ten typ obiektu jest znany jako „ciało doskonale czarne”. Termin „ciało doskonale czarne” nie oznacza obiektu, który jest czarny, lecz jego zdolność do pochłaniania całego emitowanego do niego ciepła.
