1. Definiția transferului de căldură prin radiație
Cum te simți dacă porți haine negre într-o zi călduroasă sau când faci mișcare în timpul zilei? Compară cu atunci când porți haine albe? Dacă porți haine negre în timpul zilei, atunci îți este cald. De ce? Distanța dintre soare și pământ dimineața este aproape aceeași cu distanța dintre soare și pământ în timpul zilei și al serii. Atunci de ce sunt diminețile și serile mai răcoroase și mai calde în timpul zilei? Răspunsurile la aceste întrebări sunt legate de transferul de căldură prin radiație.
Transferul de căldură prin radiație este transferul de căldură sub formă de unde electromagnetice. Exemple de transfer de căldură prin radiație sunt căldura corpului tău atunci când te afli în apropierea unui cuptor și transferul de căldură de la soare la pământ. Soarele are o temperatură mai ridicată (în jur de 6000 Kelvin), în timp ce pământul are o temperatură mai scăzută. Diferența de temperatură dintre soare și pământ face ca deplasarea căldurii de la soare (temperatură mai ridicată) la pământ (temperatură mai scăzută). Dacă transferul de căldură de la soare la pământ necesită un intermediar sau un mediu, așa cum se întâmplă cu transferul de căldură prin conducție și convecție, căldura nu poate ajunge la pământ; căldura trebuie să treacă printr-un vid (sau aproape gol). Dacă nu există căldură de la soare, viața pe pământ nu va exista niciodată, deoarece viața necesită energie de la soare.
Un alt exemplu de transfer de căldură prin radiație este căldura resimțită atunci când suntem în apropierea unei flăcări. Căldura pe care o simțim nu este cauzată de aerul supraîncălzit din cauza unei flăcări. Așa cum s-a explicat anterior, aerul cald se va dilata, astfel încât densitatea scade. Drept urmare, aerul cu densitate redusă se mișcă vertical în sus, nu orizontal spre noi. Corpul nostru se simte cald sau fierbinte atunci când este în apropierea flăcării, deoarece căldura se deplasează prin radiație de la flacără (temperatură mai ridicată) la corpul nostru (temperatură mai scăzută).
Transferul de căldură prin radiație este ușor diferit în comparație cu transferul de căldură prin conducție și convecție. Transferul de căldură prin conducție și convecție are loc atunci când obiectele care au diferențe de temperatură se ating reciproc. Pe de altă parte, transferul de căldură prin radiație poate avea loc fără atingere.
2. Ecuația transferului de căldură prin radiație
Rata de transfer de căldură prin radiație este proporțională cu aria obiectului și cu temperatura absolută (scara Kelvin) a obiectului. Obiectele care au o suprafață mai mare au o rată de transfer de căldură mai mare decât obiectele care au o suprafață mai mică.
În mod similar, obiectele cu o temperatură de 2000 Kelvin, de exemplu, au o rată de transfer de căldură de 2/4 = 16 ori mai mare decât obiectele cu o temperatură de 1000 Kelvin. Acest rezultat a fost descoperit de Josef Stefan în 1879 și a fost derivat teoretic de Ludwig Boltzmann aproximativ cinci ani mai târziu.
Q = căldură, t = timp, A = aria suprafeței obiectului (m² ) , T = temperatura absolută a obiectului (K), e = emisivitatea (număr adimensional a cărui dimensiune variază de la 0 la 1), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W / m²⁻K⁴ ( constantă universală. Denumită și constanta Stefan-Boltzmann), Q/t = rata de transfer de căldură prin radiație
Obiectele cu suprafețe întunecate (negre) au o emisivitate apropiată de 1, în timp ce obiectele cu culoare deschisă au o emisivitate apropiată de 0. Cu cât emisivitatea unui obiect este mai mare (e se apropie de 1), cu atât rata de căldură emisă de obiect este mai mare. Invers, cu cât emisivitatea unui obiect este mai mică (e se apropie de 0), cu atât rata de căldură emisă este mai mică. Putem spune că obiectele de culoare închisă (negre) emit de obicei mai multă căldură decât obiectele de culoare deschisă (albe).
Cantitatea de emisivitate nu determină doar capacitatea unui obiect de a emite căldură, ci și capacitatea unui obiect de a absorbi căldura emisă de alte obiecte. Obiectele care au o emisivitate apropiată de 1 (obiecte de culoare închisă) absorb aproape toată căldura emisă asupra lor. Doar o mică porțiune este reflectată. În schimb, obiectele care au o emisivitate apropiată de 0 (obiecte de culoare deschisă) absorb puțină căldură emisă asupra lor. Cea mai mare parte a căldurii este reflectată de obiect. Un obiect care absoarbe toată căldura emisă asupra sa are emisivitate = 1. Acest tip de obiect este cunoscut sub numele de „obiect negru”. Termenul „obiect negru” nu explică faptul că obiectele sunt negre, ci explică capacitatea obiectelor de a absorbi toată căldura emisă asupra lor.
3. Rata de căldură emisă de soare
Pe baza calculelor (conform realității), s-a constatat că există o căldură de 1350 Jouli pe secundă pe metru pătrat care se deplasează de la soare la pământ. Într-o zi însorită (fără nori), există o căldură de 1000 Jouli pe secundă pe metru pătrat care ajunge la suprafața Pământului. Într-o zi însorită (cu mulți nori), aproximativ 70% din căldură este absorbită de atmosfera Pământului, doar 30% din căldură ajunge la suprafața Pământului. Mărimea căldurii care dispare în atmosfera Pământului depinde de numărul mare sau mic de nori. Cantitatea de căldură de 1350 Jouli pe secundă pe metru pătrat este cunoscută sub numele de constanta solară . Deoarece Jouli pe secundă (J/s) = wați, atunci putem rescrie constanta solară la 1350 wați pe metru pătrat = 1350 W/m².
Când căldura emisă de soare ajunge la suprafața Pământului, căldura este absorbită de Pământ și de obiectele de pe suprafața Pământului. Rata de absorbție a căldurii depinde de emisivitatea (e) a obiectului, de suprafața obiectului și de unghiul format de lumina soarelui cu o linie perpendiculară pe suprafața obiectului.
Informație :
Q/t = rata de absorbție a căldurii, 1000 W/m²2 = constanta solară, e = emisivitatea obiectului, A = aria suprafeței obiectului, θ = unghiul format de lumina soarelui cu liniile perpendiculare pe suprafața obiectului,
A cos θ = aria efectivă (aria componentei suprafeței obiectelor perpendiculare pe lumina soarelui)
În timpul zilei, razele soarelui sunt paralele sau coincid cu o linie perpendiculară pe suprafața Pământului (unghiul format = 0).
Formația inferioară = 0 o , prin urmare, rata de absorbție a căldurii este:
Rata de absorbție a căldurii (Q/t) este maximă dacă unghiul format de lumina soarelui cu o linie perpendiculară pe suprafața Pământului = 0 ° (cos 0 = 1). De obicei, acest lucru se întâmplă în timpul zilei, când soarele este perpendicular pe suprafața Pământului. Așadar, nu este nevoie să vă mirați dacă lumina zilei este mai fierbinte decât dimineața sau seara. Dimineața și seara, unghiul creat este aproape de 90 °.
Dacă unghiul format este de 80 ° , atunci rata de absorbție a căldurii este:
Rata de absorbție a căldurii (Q/t) dimineața și seara este minimă deoarece cos θ este aproape de zero. Cu cât cos θ este mai mic, cu atât rata de absorbție a căldurii este mai mică.
La apusul soarelui la orizontul vestic sau pe cale să răsară la orizontul estic, unghiul creat = 90 °.
Deoarece unghiul format este de 90 ° , rata de absorbție a căldurii este:
Rata de absorbție a căldurii (Q/t) la apusul soarelui sau pe cale să crească = 0.
