1. Definícia prenosu tepla žiarením
Aký je to pocit, keď máte na sebe čierne oblečenie v horúci deň alebo keď cez deň cvičíte? Porovnajte to s tým, keď máte na sebe biele oblečenie? Ak máte cez deň na sebe čierne oblečenie, cítite sa horúco. Prečo je to tak? Vzdialenosť medzi slnkom a zemou ráno je takmer rovnaká ako vzdialenosť medzi slnkom a zemou cez deň a večer. Prečo sú potom rána a večery chladnejšie a cez deň teplejšie? Odpovede na tieto otázky súvisia s prenosom tepla žiarením.
Prenos tepla žiarením je prenos tepla vo forme elektromagnetických vĺn. Príkladmi prenosu tepla žiarením sú teplo vášho tela, keď ste v blízkosti pece, a prenos tepla zo Slnka na Zem. Slnko má vyššiu teplotu (okolo 6000 Kelvinov), zatiaľ čo Zem má nižšiu teplotu. Teplotný rozdiel medzi Slnkom a Zemou spôsobuje, že teplo sa presúva zo Slnka (vyššia teplota) na Zem (nižšia teplota). Ak prenos tepla zo Slnka na Zem vyžaduje sprostredkovateľa alebo médium, ako je prenos tepla vedením a konvekciou, teplo nemôže dosiahnuť Zem; teplo musí prechádzať vákuom (alebo takmer prázdnym priestorom). Ak zo Slnka nebude žiadne teplo, život na Zemi nikdy nebude existovať, pretože život vyžaduje energiu zo Slnka.
Ďalším príkladom prenosu tepla žiarením je teplo, ktoré cítime, keď sme v blízkosti plameňa. Teplo, ktoré cítime, nie je spôsobené prehriatym vzduchom v dôsledku plameňa. Ako už bolo vysvetlené, horúci vzduch sa rozpína, takže jeho hustota sa znižuje. V dôsledku toho sa vzduch so zníženou hustotou pohybuje vertikálne nahor, nie horizontálne smerom k nám. Naše telo cíti teplo alebo horúco, keď je v blízkosti plameňa, pretože teplo sa pohybuje žiarením z plameňa (vyššia teplota) do nášho tela (nižšia teplota).
Prenos tepla žiarením sa mierne líši od prenosu tepla vedením a konvekciou. K prenosu tepla vedením a konvekciou dochádza, keď sa objekty s teplotnými rozdielmi navzájom dotýkajú. Na druhej strane, prenos tepla žiarením môže prebiehať aj bez dotyku.
2. Rovnica prenosu tepla žiarením
Rýchlosť prenosu tepla žiarením je úmerná ploche objektu a absolútnej teplote (Kelvinova stupnica) objektu. Objekty s väčším povrchom majú vyššiu rýchlosť prenosu tepla ako objekty s menším povrchom.
Podobne napríklad objekty s teplotou 2 000 Kelvinov majú rýchlosť prenosu tepla 2 4 = 16-krát vyššiu ako objekty s teplotou 1 000 Kelvinov. Tento výsledok objavil Josef Stefan v roku 1879 a teoreticky ho odvodil Ludwig Boltzmann približne o päť rokov neskôr.
Q = teplo, t = čas, A = povrch objektu (m² ) , T = absolútna teplota objektu (K), e = emisivita (bezrozmerné číslo, ktorého veľkosť sa pohybuje od 0 do 1), σ = 5.67 x 10⁻⁴ W/m²·K⁴ ( univerzálna konštanta . Tiež označovaná ako Stefanova-Boltzmannova konštanta), Q/t = rýchlosť prenosu tepla žiarením
Objekty s tmavým povrchom (čierny) majú emisivitu blízku 1, zatiaľ čo objekty so svetlou farbou majú emisivitu blízku 0. Čím väčšia je emisivita objektu (e sa blíži 1), tým väčší je tepelný výkon, ktorý objekt vyžaruje. Naopak, čím menšia je emisivita objektu (e sa blíži 0), tým menší je tepelný výkon. Môžeme povedať, že tmavé objekty (čierne) zvyčajne vyžarujú viac tepla ako svetlé objekty (biele).
Množstvo emisivity určuje nielen schopnosť objektu vyžarovať teplo, ale aj schopnosť objektu absorbovať teplo vyžarované inými objektmi. Objekty, ktoré majú emisivitu blízku 1 (tmavé objekty), absorbujú takmer všetko teplo, ktoré na seba vyžarujú. Odráža sa len malá časť. Naopak, objekty, ktoré majú emisivitu blízku 0 (svetlé objekty), absorbujú malé množstvo tepla, ktoré na seba vyžarujú. Väčšinu tepla objekt odráža. Objekt, ktorý absorbuje všetko teplo, ktoré na seba vyžaruje, má emisivitu = 1. Tento typ objektu sa nazýva „čierny objekt“. Pojem čierny objekt nevysvetľuje, že objekty sú čierne, ale vysvetľuje schopnosť objektov absorbovať všetko teplo, ktoré na seba vyžarujú.
3. Rýchlosť tepla vyžarovaného slnkom
Na základe výpočtov (podľa reality) sa zistilo, že zo Slnka na Zem sa presúva teplo s hodnotou 1350 Joulov za sekundu na meter štvorcový. Za jasného dňa (bez oblakov) dopadá na zemský povrch teplo s hodnotou 1000 Joulov za sekundu na meter štvorcový. Za slnečného dňa (s mnohými oblakmi) zemská atmosféra absorbuje približne 70 % tepla, na zemský povrch sa dostane iba 30 % tepla. Množstvo tepla, ktoré sa v zemskej atmosfére stratí, závisí od počtu oblakov. Množstvo tepla 1350 Joulov za sekundu na meter štvorcový sa nazýva slnečná konštanta . Keďže Jouly za sekundu (J/s) = watty, môžeme slnečnú konštantu prepísať na 1350 Wattov na meter štvorcový = 1350 W/m².
Keď teplo vyžarované slnkom dorazí na zemský povrch, teplo je absorbované zemou a predmetmi na zemskom povrchu. Miera absorpcie tepla závisí od emisivity (e) predmetu, plochy povrchu predmetu a uhla, ktorý zviera slnečné svetlo s priamkou kolmou na povrch predmetu.
Informácie:
Q/t = miera absorpcie tepla, 1000 W/m2 = slnečná konštanta, e = emisivita objektu, A = plocha povrchu objektu, θ = uhol, ktorý zviera slnečné svetlo s čiarami kolmými na povrch objektu,
A cos θ = efektívna plocha (zložka povrchu objektov kolmá na slnečné svetlo)
Počas dňa sú slnečné lúče rovnobežné alebo sa zhodujú s čiarou kolmou na zemský povrch (uhol, ktorý zvierajú) 0.
Spodná vytvorená = 0 o , preto je miera absorpcie tepla:
Miera absorpcie tepla (Q/t) je maximálna, ak je uhol, ktorý zviera slnečné svetlo s priamkou kolmou na zemský povrch = 0 ° (cos 0 = 1). Zvyčajne sa to deje počas dňa, keď je slnko kolmé na zemský povrch. Preto sa netreba čudovať, ak je denné svetlo teplejšie ako ráno alebo večer. Ráno a večer je vytvorený uhol blízky 90 °.
Ak je uhol, ktorý zviera, 80 ° , potom je miera absorpcie tepla:
Miera absorpcie tepla (Q/t) ráno a večer je minimálna, pretože cos θ je blízky nule. Čím menší je cos θ, tým menšia je miera absorpcie tepla.
Pri západe slnka na západnom obzore alebo tesne pred jeho východom na východnom obzore zviera uhol 90 °.
Pretože uhol, ktorý zvierajú, je 90 ° , miera absorpcie tepla je:
Rýchlosť absorpcie tepla (Q/t) pri západe slnka alebo tesne pred východom slnka = 0.
