Aký je to pocit, keď máte na sebe čierne oblečenie v horúci deň alebo keď cvičíte počas dňa? Porovnajte to s tým, keď máte na sebe biele oblečenie? Ak máte cez deň na sebe čierne oblečenie, ľahko sa vám bude cítiť horúco. Prečo je to tak? Vzdialenosť medzi slnkom a zemou ráno je takmer rovnaká ako vzdialenosť medzi slnkom a zemou na poludnie a večer. Prečo je teda ráno a večer chladnejšie a popoludnie teplejšie? Odpoveď na tieto otázky súvisí s... prenos tepla žiarením.
Prenos tepla žiarením je prenos tepla vo forme elektromagnetických vĺn. Príkladmi prenosu tepla žiarením sú teplo vášho tela, keď ste v blízkosti sporáka, a prenos tepla zo slnka na zem. Slnko má teplota vyššia (okolo 6000 Kelvinov), zatiaľ čo Zem má nižšiu teplotu. Rozdiel v teplotách medzi Slnkom a Zemou spôsobuje teplo pohybujúce sa zo Slnka (vyššia teplota) na Zem (nižšia teplota). Ak by prenos tepla zo Slnka na Zem vyžadoval sprostredkovateľa alebo médium, ako je to pri prenose tepla vedením a konvekciou, potom by teplo nemohlo dosiahnuť Zem; muselo by prejsť cez vákuum (alebo takmer vákuum). Ak by neexistoval žiadny tepelný príspevok zo Slnka, potom by život na Zemi nikdy neexistoval, pretože život vyžaduje energiu.
Ďalším príkladom prenosu tepla žiarením je teplo, ktoré cítime, keď sme v blízkosti plameňa. Teplo, ktoré cítime, nie je spôsobené prehriatím vzduchu plameňom. Ako už bolo vysvetlené, horúci vzduch sa rozpína, čím sa znižuje jeho hustota. V dôsledku toho sa vzduch so zníženou hustotou pohybuje vertikálne nahor, nie horizontálne smerom k nám. Naše telo cíti teplo alebo horúco, keď sme v blízkosti plameňa, pretože teplo sa prenáša žiarením z plameňa (vyššia teplota) na naše telo (nižšia teplota).
Prenos tepla žiarením sa mierne líši v porovnaní s prenos tepla vedením dan prenos tepla konvekciouK prenosu tepla vedením a konvekciou dochádza, keď sa objekty s rôznymi teplotami navzájom dotýkajú. Naopak, prenos tepla žiarením môže prebiehať bez kontaktu.
Vzorec pre prenos tepla žiarením
Zistilo sa, že rýchlosť prenosu tepla žiarením je úmerná povrchu objektu a štvrtej mocnine jeho absolútnej teploty (na Kelvinovej stupnici). Objekty s väčším povrchom majú vyššiu rýchlosť prenosu tepla ako objekty s menším povrchom. Podobne objekt s teplotou 2000 Kelvinov má napríklad rýchlosť prenosu tepla 2.4 = 16-krát väčšia ako hodnota objektu s teplotou 1000 Kelvinov. Tento výsledok objavil Josef Stefan v roku 1879 a teoreticky ho odvodil Ludwig Boltzmann asi o 5 rokov neskôr.
Popis: Q = teplo, t = čas, A = povrch telesa (m2), T = Absolútna teplota objektu (K), e = Emisivita (bezrozmerné číslo, ktorého hodnota sa pohybuje od 0 do 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Univerzálna konštanta. Nazývaná aj Stefanova-Boltzmannova konštanta), Q/t = rýchlosť prenosu tepla žiarením alebo rýchlosť vyžarovania energie
Objekty s tmavým povrchom (čierne) majú emisivitu blízku 1, zatiaľ čo svetlé objekty majú emisivitu blízku 0. Čím väčšia je emisivita objektu (e blízke 1), tým vyššia je rýchlosť vyžarovaného tepla. Naopak, čím menšia je emisivita objektu (e blízke 0), tým menšia je rýchlosť vyžarovaného tepla. Môžeme povedať, že tmavé objekty (čierne) zvyčajne vyžarujú viac tepla ako svetlé objekty (biele).
Veľkosť emisivity určuje nielen schopnosť objektu vyžarovať teplo, ale aj schopnosť objektu absorbovať teplo vyžarované inými objektmi. Objekty s emisivitou blízkou 1 (tmavé objekty) absorbujú takmer všetko teplo, ktoré na ne dopadne. Odráža sa len malá časť. Naopak, objekty s emisivitou blízkou 0 (svetlé objekty) absorbujú len málo tepla, ktoré na ne dopadne. Väčšinu tepla objekt odráža. Objekty, ktoré absorbujú všetko teplo, ktoré na ne dopadne, majú emisivitu = 1. Tento typ objektu sa nazýva „čierne teleso“. Pojem čierne teleso neopisuje objekt, ktorý je čierny, ale opisuje schopnosť objektu absorbovať všetko teplo, ktoré naň dopadne.
