1. Definicja przenoszenia ciepła przez promieniowanie
Jak się czujesz, nosząc czarne ubrania w upalny dzień, albo kiedy ćwiczysz w ciągu dnia? Porównaj to z tym, kiedy nosisz białe ubrania. Jeśli nosisz czarne ubrania w ciągu dnia, to jest ci gorąco. Dlaczego? Odległość między słońcem a ziemią rano jest prawie taka sama jak odległość między słońcem a ziemią w ciągu dnia i wieczorem. Dlaczego więc poranki i wieczory są chłodniejsze, a cieplejsze w ciągu dnia? Odpowiedzi na te pytania wiążą się z przenoszeniem ciepła przez promieniowanie.
Przenoszenie ciepła przez promieniowanie to przenoszenie ciepła w postaci fal elektromagnetycznych. Przykładami przenoszenia ciepła przez promieniowanie są ciepło ciała w pobliżu pieca oraz przenoszenie ciepła ze słońca na ziemię. Słońce ma wyższą temperaturę (około 6000 kelwinów), podczas gdy ziemia ma niższą temperaturę. Różnica temperatur między słońcem a ziemią powoduje, że ciepło przemieszcza się ze słońca (wyższa temperatura) na ziemię (niższa temperatura). Jeśli przenoszenie ciepła ze słońca na ziemię wymaga pośrednika lub ośrodka, jak w przypadku przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję, ciepło nie może dotrzeć na ziemię; musi przejść przez próżnię (lub prawie pustą przestrzeń). Jeśli nie będzie ciepła ze słońca, życie na ziemi nigdy nie będzie istnieć, ponieważ życie wymaga energii słonecznej.
Innym przykładem przenoszenia ciepła przez promieniowanie jest ciepło odczuwane 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 ciało odczuwa ciepło lub gorąco, gdy znajduje się w pobliżu płomienia, ponieważ ciepło przemieszcza się poprzez promieniowanie z płomienia (wyższa temperatura) do naszego ciała (niższa temperatura).
Przenoszenie ciepła przez promieniowanie różni się nieco od przenoszenia ciepła przez przewodzenie i konwekcję. Przenoszenie ciepła przez przewodzenie i konwekcję zachodzi, gdy obiekty o różnych temperaturach stykają się ze sobą. Z drugiej strony, przenoszenie ciepła przez promieniowanie może zachodzić bez kontaktu.
2. Równanie przenoszenia ciepła przez promieniowanie
Szybkość wymiany ciepła przez promieniowanie jest proporcjonalna do powierzchni obiektu i jego temperatury bezwzględnej (w skali Kelvina). Obiekty o większej powierzchni charakteryzują się większą szybkością wymiany ciepła niż obiekty o mniejszej powierzchni.
Podobnie, obiekty o temperaturze 2000 kelwinów mają współczynnik przenikania ciepła 2 4 = 16 razy większy niż obiekty o temperaturze 1000 kelwinów. Wynik ten został odkryty przez Josefa Stefana w 1879 roku, a około pięć lat później został teoretycznie wyprowadzony przez Ludwiga Boltzmanna.
Q = ciepło, t = czas, A = powierzchnia obiektu (m2 ) , T = temperatura bezwzględna obiektu (K), e = emisyjność (liczba bezwymiarowa, której wielkość waha się od 0 do 1), σ = 5.67 x 10-8 W / m2.K4 ( Stała uniwersalna. Nazywana również stałą Stefana-Boltzmanna), Q/t = szybkość przenoszenia ciepła przez promieniowanie
Obiekty o ciemnych powierzchniach (czarne) mają emisyjność bliską 1, natomiast obiekty o jasnym kolorze mają emisyjność bliską 0. Im większa emisyjność obiektu (e zbliża się do 1), tym większa szybkość emisji ciepła przez obiekt. I odwrotnie, im mniejsza emisyjność obiektu (e zbliża się do 0), tym mniejsza szybkość emisji ciepła. Można powiedzieć, że obiekty o ciemnym kolorze (czarne) zazwyczaj emitują więcej ciepła niż obiekty o jasnym kolorze (białe).
Wielkość emisyjności nie tylko określa zdolność obiektu do emitowania ciepła, ale także zdolność obiektu do pochłaniania ciepła emitowanego przez inne obiekty. Obiekty, które mają emisyjność bliską 1 (obiekty o ciemnym kolorze) pochłaniają prawie całe emitowane na nich ciepło. Tylko niewielka część jest odbijana. Odwrotnie, obiekty, które mają emisyjność bliską 0 (obiekty o jasnym kolorze) pochłaniają niewielką ilość emitowanego na nich ciepła. Większość ciepła jest odbijana przez obiekt. Obiekt, który pochłania całe emitowane na nim ciepło, ma emisyjność = 1. Ten typ obiektu jest znany jako „czarny obiekt”. Termin „czarny obiekt” nie wyjaśnia, że obiekty są czarne, ale wyjaśnia zdolność obiektów do pochłaniania całego emitowanego na nich ciepła.
3. Szybkość emisji ciepła przez słońce
Na podstawie obliczeń (zgodnie z rzeczywistością) ustalono, że ciepło wynosiło 1350 dżuli na sekundę na metr kwadratowy, które przemieszczało się od słońca do ziemi. W pogodny dzień (bez chmur) na powierzchnię ziemi dociera ciepło 1000 dżuli na sekundę na metr kwadratowy. W słoneczny dzień (dużo chmur) około 70% ciepła jest pochłaniane przez atmosferę ziemską, tylko 30% ciepła dociera do powierzchni ziemi. Ilość ciepła, która znika w atmosferze ziemskiej, zależy od wielu lub niewielu chmur. Ilość ciepła wynosząca 1350 dżuli na sekundę na metr kwadratowy jest znana jako stała słoneczna . Ponieważ dżule na sekundę (J/s) = waty, możemy zapisać stałą słoneczną jako 1350 watów na metr kwadratowy = 1350 W/ m2
Gdy ciepło emitowane przez słońce dociera do powierzchni Ziemi, jest ono absorbowane przez Ziemię i obiekty na jej powierzchni. Szybkość absorpcji ciepła zależy od emisyjności (e) obiektu, jego powierzchni oraz kąta, jaki tworzy światło słoneczne z linią prostopadłą do powierzchni obiektu.
Informacje:
Q/t = współczynnik absorpcji ciepła, 1000 W/m2 = stała słoneczna, e = emisyjność obiektu, A = pole powierzchni obiektu, θ = kąt tworzony przez światło słoneczne z liniami prostopadłymi do powierzchni obiektu,
A cos θ = powierzchnia efektywna (powierzchnia składowa obiektów prostopadłych do światła słonecznego)
W ciągu dnia promienie słoneczne biegną równolegle lub pokrywają się z linią prostopadłą do powierzchni Ziemi (kąt utworzony = 0).
Dolna granica wynosi 0 o , zatem szybkość absorpcji ciepła wynosi:
Szybkość absorpcji ciepła (Q/t) jest maksymalna, jeśli kąt tworzony przez światło słoneczne z linią prostopadłą do powierzchni Ziemi wynosi 0 ° (cos 0 = 1). Zazwyczaj ma to miejsce w ciągu dnia, gdy słońce jest prostopadłe do powierzchni Ziemi. Nie ma więc powodu do zdziwienia, jeśli światło dzienne jest cieplejsze niż rano lub wieczorem. Rano i wieczorem kąt tworzony przez światło słoneczne wynosi blisko 90 °.
Jeżeli utworzony kąt ma miarę 80 ° , to szybkość absorpcji ciepła wynosi:
Szybkość absorpcji ciepła (Q/t) rano i wieczorem jest minimalna, ponieważ cos θ jest bliski zeru. Im mniejszy cos θ, tym mniejsza szybkość absorpcji ciepła.
Podczas zachodu słońca na zachodnim horyzoncie lub tuż przed jego wschodem na wschodnim horyzoncie, kąt utworzony wynosi = 90 stopni.
Ponieważ utworzony kąt wynosi 90 stopni , szybkość absorpcji ciepła wynosi:
Szybkość absorpcji ciepła (Q/t) o zachodzie słońca lub przed wschodem słońca = 0.
