1. Определение теплопередачи излучением
Как вы себя чувствуете, если носите черную одежду в жаркий день или во время тренировки? Сравните это с ощущением, когда вы носите белую одежду? Если вы носите черную одежду днем, то вам жарко. Почему так происходит? Расстояние между Солнцем и Землей утром почти такое же, как расстояние между Солнцем и Землей днем и вечером. Тогда почему утром и вечером прохладнее, а днем жарче? Ответы на эти вопросы связаны с теплопередачей посредством излучения.
Передача тепла излучением — это передача тепла в форме электромагнитных волн. Примерами передачи тепла излучением являются тепло вашего тела, когда вы находитесь рядом с печью, и передача тепла от Солнца к Земле. Солнце имеет более высокую температуру (около 6000 Кельвинов), в то время как Земля имеет более низкую температуру. Разница температур между Солнцем и Землей приводит к перемещению тепла от Солнца (более высокая температура) к Земле (более низкая температура). Если передача тепла от Солнца к Земле требует промежуточного звена или среды, как в случае передачи тепла путем проводимости и конвекции, тепло не может достичь Земли; тепло должно проходить через вакуум (или почти пустое пространство). Если бы не было тепла от Солнца, жизнь на Земле никогда бы не существовала, потому что жизнь требует энергии от Солнца.
Другой пример передачи тепла излучением — это тепло, которое мы ощущаем, находясь рядом с пламенем. Тепло, которое мы чувствуем, не вызвано перегревом воздуха из-за пламени. Как объяснялось ранее, горячий воздух расширяется, так что его плотность уменьшается. В результате воздух с пониженной плотностью движется вертикально вверх, а не горизонтально к нам. Наше тело чувствует тепло или жар, когда находится рядом с пламенем, потому что тепло передается посредством излучения от пламени (более высокая температура) к нашему телу (более низкая температура).
Передача тепла излучением несколько отличается от передачи тепла проводимостью и конвекцией. Передача тепла проводимостью и конвекцией происходит, когда объекты, имеющие разницу температур, соприкасаются друг с другом. С другой стороны, передача тепла излучением может происходить без контакта.
2. Уравнение теплопередачи излучением
Скорость теплопередачи излучением пропорциональна площади объекта и его абсолютной температуре (по шкале Кельвина). Объекты с большей площадью поверхности имеют более высокую скорость теплопередачи, чем объекты с меньшей площадью поверхности.
Аналогично, объекты с температурой 2000 Кельвинов, например, имеют скорость теплопередачи в 2⁴ = 16 раз больше, чем объекты с температурой 1000 Кельвинов. Этот результат был открыт Йозефом Стефаном в 1879 году и теоретически выведен Людвигом Больцманом примерно пять лет спустя.
Q = теплота, t = время, A = площадь поверхности объекта (м² ) , T = абсолютная температура объекта (К), e = коэффициент излучения (безразмерное число, величина которого варьируется от 0 до 1), σ = 5.67 × 10⁻⁸ Вт /м² · К⁴ ( универсальная постоянная, также называемая постоянной Стефана-Больцмана), Q/t = скорость теплопередачи излучением
Объекты с темной поверхностью (черные) имеют коэффициент излучения, близкий к 1, тогда как объекты светлого цвета имеют коэффициент излучения, близкий к 0. Чем выше коэффициент излучения объекта (e приближается к 1), тем больше скорость выделения тепла этим объектом. И наоборот, чем ниже коэффициент излучения объекта (e приближается к 0), тем меньше скорость выделения тепла. Можно сказать, что объекты темного цвета (черные) обычно выделяют больше тепла, чем объекты светлого цвета (белые).
Величина коэффициента излучения определяет не только способность объекта излучать тепло, но и способность объекта поглощать тепло, излучаемое другими объектами. Объекты с коэффициентом излучения, близким к 1 (темные объекты), поглощают почти все излучаемое ими тепло. Лишь небольшая его часть отражается. И наоборот, объекты с коэффициентом излучения, близким к 0 (светлые объекты), поглощают лишь небольшое количество излучаемого ими тепла. Большая часть тепла отражается объектом. Объект, поглощающий все излучаемое им тепло, имеет коэффициент излучения, равный 1. Такой тип объекта известен как «черный объект». Термин «черный объект» не означает, что объекты черные, а объясняет способность объектов поглощать все излучаемое ими тепло.
3. Скорость излучения тепла Солнцем
На основе расчетов (в соответствии с реальностью) было установлено, что от Солнца к Земле передается 1350 Джоулей в секунду на квадратный метр тепла. В ясный день (без облаков) на поверхность Земли достигает 1000 Джоулей в секунду на квадратный метр. В солнечный день (при большом количестве облаков) около 70% тепла поглощается атмосферой Земли, и только 30% достигает поверхности Земли. Величина тепла, исчезающего в атмосфере Земли, зависит от количества облаков. Количество тепла в 1350 Джоулей в секунду на квадратный метр известно как солнечная постоянная . Поскольку Джоули в секунду (Дж/с) = Ватт, то солнечную постоянную можно переписать как 1350 Ватт на квадратный метр = 1350 Вт/м².
Когда тепло, излучаемое Солнцем, достигает поверхности Земли, оно поглощается Землей и объектами на ее поверхности. Скорость поглощения тепла зависит от коэффициента излучения (ε) объекта, площади поверхности объекта и угла, образованного солнечным светом с линией, перпендикулярной поверхности объекта.
Информация :
Q/t = коэффициент поглощения тепла, 1000 Вт/м²2 = солнечная постоянная, e = коэффициент излучения объекта, A = площадь поверхности объекта, θ = угол, образованный солнечным светом с линиями, перпендикулярными поверхности объекта.
A cos θ = эффективная площадь (компонентная площадь поверхности объектов, перпендикулярная солнечному свету)
В течение дня солнечные лучи параллельны или совпадают с линией, перпендикулярной поверхности Земли (образованный угол равен 0).
При температуре ниже 0 ° , следовательно, скорость поглощения тепла составляет:
Коэффициент поглощения тепла (Q/t) максимален, если угол, образованный солнечным светом с линией, перпендикулярной поверхности Земли, равен 0 ° (cos 0 = 1). Обычно это происходит днем, когда солнце перпендикулярно поверхности Земли. Поэтому не стоит удивляться, если дневной свет жарче, чем утром или вечером. Утром и вечером угол составляет около 90 °.
Если образованный угол равен 80 ° , то скорость поглощения тепла составляет:
Скорость поглощения тепла (Q/t) утром и вечером минимальна, поскольку cos θ близок к нулю. Чем меньше cos θ, тем меньше скорость поглощения тепла.
При закате на западном горизонте или перед восходом на восточном горизонте образованный угол равен 90 °.
Поскольку образованный угол равен 90 ° , скорость поглощения тепла составляет:
Скорость поглощения тепла (Q/t) на закате или перед восходом солнца равна 0.
