1. Definição de transferência de calor por radiação
Como você se sente usando roupas pretas em um dia quente, ou quando se exercita durante o dia? Compare com a sensação de usar roupas brancas. Se você usa roupas pretas durante o dia, sente mais calor. Por quê? A distância entre o Sol e a Terra pela manhã é quase a mesma que a distância entre o Sol e a Terra durante o dia e à noite. Então, por que as manhãs e as noites são mais frescas, enquanto o dia é mais quente? As respostas para essas perguntas estão relacionadas à transferência de calor por radiação.
A transferência de calor por radiação ocorre na forma de ondas eletromagnéticas. Exemplos de transferência de calor por radiação são o calor do seu corpo quando você está perto de uma fornalha e a transferência de calor do Sol para a Terra. O Sol tem uma temperatura mais alta (cerca de 6000 Kelvin), enquanto a Terra tem uma temperatura mais baixa. A diferença de temperatura entre o Sol e a Terra faz com que o calor se mova do Sol (temperatura mais alta) para a Terra (temperatura mais baixa). Se a transferência de calor do Sol para a Terra exigisse um intermediário ou meio, como ocorre na condução e na convecção, o calor não conseguiria chegar à Terra; ele teria que passar pelo vácuo (ou por um meio quase vazio). Se não houvesse calor do Sol, a vida na Terra jamais existiria, pois a vida requer energia solar.
Outro exemplo de transferência de calor por radiação é o calor que sentimos quando estamos perto de uma chama. O calor que sentimos não é causado pelo superaquecimento do ar devido à chama. Como explicado anteriormente, o ar quente se expande, diminuindo sua densidade. Consequentemente, o ar com densidade reduzida se move verticalmente para cima, e não horizontalmente em nossa direção. Nosso corpo sente calor quando está perto da chama porque o calor se move por radiação da chama (temperatura mais alta) para o nosso corpo (temperatura mais baixa).
A transferência de calor por radiação difere ligeiramente da transferência de calor por condução e convecção. A transferência de calor por condução e convecção ocorre quando objetos com diferenças de temperatura se tocam. Por outro lado, a transferência de calor por radiação pode ocorrer sem contato.
2. A equação da transferência de calor por radiação
A taxa de transferência de calor por radiação é proporcional à área do objeto e à sua temperatura absoluta (escala Kelvin). Objetos com maior área superficial apresentam uma taxa de transferência de calor maior do que objetos com menor área superficial.
Da mesma forma, objetos com uma temperatura de 2000 Kelvin, por exemplo, têm uma taxa de transferência de calor 2⁴ = 16 vezes maior do que objetos com uma temperatura de 1000 Kelvin. Esse resultado foi descoberto por Josef Stefan em 1879 e foi teoricamente derivado por Ludwig Boltzmann cerca de cinco anos depois.
Q = calor, t = tempo, A = área da superfície do objeto (m² ) , T = temperatura absoluta do objeto (K), ε = emissividade (número adimensional que varia de 0 a 1), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W / m².K⁴ ( constante universal, também conhecida como constante de Stefan-Boltzmann), Q/t = taxa de transferência de calor por radiação.
Objetos com superfícies escuras (pretas) têm uma emissividade próxima de 1, enquanto objetos com cores claras têm uma emissividade próxima de 0. Quanto maior a emissividade de um objeto (e se aproxima de 1), maior a taxa de calor emitida por ele. Inversamente, quanto menor a emissividade de um objeto (e se aproxima de 0), menor a taxa de calor emitida. Podemos dizer que objetos de cor escura (pretos) geralmente emitem mais calor do que objetos de cor clara (brancos).
A emissividade determina não apenas a capacidade de um objeto emitir calor, mas também a capacidade de absorver o calor emitido por outros objetos. Objetos com emissividade próxima de 1 (objetos de cor escura) absorvem quase todo o calor emitido sobre eles. Apenas uma pequena parte é refletida. Por outro lado, objetos com emissividade próxima de 0 (objetos de cor clara) absorvem pouco calor emitido sobre eles. A maior parte do calor é refletida pelo objeto. Um objeto que absorve todo o calor emitido sobre ele tem emissividade igual a 1. Esse tipo de objeto é conhecido como "objeto preto". O termo "objeto preto" não se refere à cor preta do objeto, mas sim à sua capacidade de absorver todo o calor emitido sobre ele.
3. A taxa de calor emitida pelo sol
Com base em cálculos (de acordo com a realidade), constatou-se que uma quantidade de calor de 1350 Joules por segundo por metro quadrado se desloca do Sol para a Terra. Em um dia claro (sem nuvens), essa quantidade de calor chega à superfície terrestre em torno de 1000 Joules por segundo por metro quadrado. Em um dia ensolarado (com muitas nuvens), cerca de 70% desse calor é absorvido pela atmosfera terrestre, restando apenas 30% para a superfície. A magnitude do calor absorvido pela atmosfera depende da quantidade de nuvens. Essa quantidade de calor de 1350 Joules por segundo por metro quadrado é conhecida como constante solar . Como Joules por segundo (J/s) = Watts, podemos reescrever a constante solar como 1350 Watts por metro quadrado = 1350 W/m².
Quando o calor emitido pelo sol chega à superfície da Terra, ele é absorvido pela Terra e pelos objetos sobre ela. A taxa de absorção de calor depende da emissividade (e) do objeto, da área da superfície do objeto e do ângulo formado pela luz solar com uma linha perpendicular à superfície do objeto.
Em formação :
Q/t = taxa de absorção de calor, 1000 W/m2 = constante solar, e = emissividade do objeto, A = área da superfície do objeto, θ = ângulo formado pela luz solar com linhas perpendiculares à superfície do objeto,
A cos θ = área efetiva (área da superfície do objeto perpendicular à luz solar)
Durante o dia, os raios solares são paralelos ou coincidem com uma linha perpendicular à superfície da Terra (ângulo formado = 0).
O valor inferior formado é igual a 0 ° , portanto, a taxa de absorção de calor é:
A taxa de absorção de calor (Q/t) é máxima se o ângulo formado pela luz solar com uma linha perpendicular à superfície da Terra for igual a 0 ° (cos θ = 1). Normalmente, isso ocorre durante o dia, quando o sol está perpendicular à superfície da Terra. Portanto, não há motivo para surpresa se a luz do dia for mais quente do que a da manhã ou do final da tarde. De manhã e à tarde, o ângulo formado é próximo de 90 °.
Se o ângulo formado for de 80 ° , então a taxa de absorção de calor será:
A taxa de absorção de calor (Q/t) pela manhã e à noite é mínima porque cos θ está próximo de zero. Quanto menor o valor de cos θ, menor a taxa de absorção de calor.
Ao pôr do sol no horizonte oeste ou prestes a nascer no horizonte leste, o ângulo formado é de 90 °.
Como o ângulo formado é de 90 ° , a taxa de absorção de calor é:
Taxa de absorção de calor (Q/t) ao pôr do sol ou prestes a nascer = 0.
