1. Definicija prenosa toplote s sevanjem
Kakšen je občutek, če na vroč dan nosite črna oblačila ali ko čez dan telovadite? Primerjajte s tem, ko nosite bela oblačila? Če čez dan nosite črna oblačila, vam je vroče. Zakaj je tako? Razdalja med soncem in zemljo zjutraj je skoraj enaka razdalji med soncem in zemljo podnevi in zvečer. Zakaj so potem jutra in večeri hladnejši, čez dan pa bolj vroči? Odgovori na ta vprašanja so povezani s prenosom toplote s sevanjem.
Prenos toplote s sevanjem je prenos toplote v obliki elektromagnetnih valov. Primera prenosa toplote s sevanjem sta toplota vašega telesa, ko ste blizu peči, in prenos toplote s sonca na Zemljo. Sonce ima višjo temperaturo (okoli 6000 Kelvinov), medtem ko ima Zemlja nižjo temperaturo. Temperaturna razlika med soncem in Zemljo povzroči, da se toplota premika s sonca (višja temperatura) na Zemljo (nižja temperatura). Če prenos toplote s sonca na Zemljo zahteva posrednika ali medij, kot je prenos toplote s prevodnostjo in konvekcijo, toplota ne more doseči Zemlje; toplota mora preiti skozi vakuum (ali skoraj prazno). Če ni toplote sonca, življenje na Zemlji ne bo nikoli obstajalo, ker življenje potrebuje energijo sonca.
Drug primer prenosa toplote s sevanjem je toplota, ki jo občutimo, ko smo blizu plamena. Toplote, ki jo občutimo, ne povzroča pregret zrak zaradi plamena. Kot smo že pojasnili, se vroč zrak širi, tako da se njegova gostota zmanjšuje. Posledično se zrak z zmanjšano gostoto premika navpično navzgor in se ne premika vodoravno proti nam. Naše telo se ob bližini plamena počuti toplo ali vroče, ker se toplota s sevanjem premika iz plamena (višja temperatura) v naše telo (nižja temperatura).
Prenos toplote s sevanjem se nekoliko razlikuje od prenosa toplote s prevodnostjo in konvekcijo. Prenos toplote s prevodnostjo in konvekcijo se zgodi, ko se predmeti, ki imajo temperaturne razlike, dotikajo. Po drugi strani pa se lahko prenos toplote s sevanjem zgodi brez dotika.
2. Enačba prenosa toplote s sevanjem
Hitrost prenosa toplote s sevanjem je sorazmerna s površino predmeta in absolutno temperaturo (Kelvinova lestvica) predmeta. Predmeti z večjo površino imajo višjo hitrost prenosa toplote kot predmeti z manjšo površino.
Podobno imajo predmeti s temperaturo 2000 Kelvinov na primer hitrost prenosa toplote 24 = 16-krat večja kot pri predmetih s temperaturo 1000 Kelvinov. Ta rezultat je odkril Josef Stefan leta 1879, Ludwig Boltzmann pa ga je teoretično izpeljal približno pet let pozneje.
Q = toplota, t = čas, A = površina predmeta (m2), T = absolutna temperatura objekta (K) e = emisivnost (brezdimenzijska številka, katere velikost se giblje od 0 do 1), σ = 5.67 x 10-8 W / m2.K4 (Univerzalna konstanta. Imenuje se tudi Stefan-Boltzmannova konstanta), Q/t = hitrost prenosa toplote s sevanjem
Predmeti s temnimi površinami (črni) imajo emisivnost blizu 1, medtem ko imajo predmeti s svetlo barvo emisivnost blizu 0. Večja kot je emisivnost predmeta (e se približa 1), večja je stopnja toplote, ki jo predmet oddaja. Nasprotno, manjša kot je emisivnost predmeta (e se približa 0), manjša je stopnja oddane toplote. Lahko rečemo, da temno obarvani predmeti (črni) običajno oddajajo več toplote kot svetli predmeti (beli).
Količina emisivnosti ne določa le sposobnosti predmeta, da oddaja toploto, temveč tudi sposobnost predmeta, da absorbira toploto, ki jo oddajajo drugi predmeti. Predmeti, ki imajo emisivnost blizu 1 (temni predmeti), absorbirajo skoraj vso toploto, ki jo oddajajo. Odbije se le majhen del. Nasprotno pa predmeti, ki imajo emisivnost blizu 0 (svetli predmeti), absorbirajo malo toplote, ki jo oddajajo. Večino toplote predmet odbije. Predmet, ki absorbira vso toploto, ki jo oddaja, ima emisivnost = 1. Ta vrsta predmeta je znana kot »črni predmet«. Izraz črni predmet ne pojasnjuje, da so predmeti črni, ampak pojasnjuje sposobnost predmetov, da absorbirajo vso toploto, ki jo oddajajo.
3. Hitrost toplote, ki jo oddaja sonce
Na podlagi izračunov (glede na realnost) je bilo ugotovljeno, da se od sonca proti Zemlji premika toplota s hitrostjo 1350 joulov na sekundo na kvadratni meter. Na svetel dan (brez oblakov) na zemeljsko površino doseže toplota s hitrostjo 1000 joulov na sekundo na kvadratni meter. Na sončen dan (z veliko oblaki) Zemljina atmosfera absorbira približno 70 % toplote, na zemeljsko površino pa doseže le 30 % toplote. Količina toplote, ki izgine v Zemljini atmosferi, je odvisna od števila ali maloštevilnosti oblakov. Količina toplote 1350 joulov na sekundo na kvadratni meter je znana kot sončna konstantaKer so džuli na sekundo (J/s) = vati, lahko prepišemo sončna konstanta do 1350 vatov na kvadratni meter = 1350 W/m²2
Ko toplota, ki jo oddaja sonce, doseže zemeljsko površje, jo Zemlja in predmeti na Zemljini površini absorbirajo. Stopnja absorpcije toplote je odvisna od emisivnosti (e) predmeta, površine predmeta in kota, ki ga sončna svetloba tvori s črto, pravokotno na površino predmeta.
Informacije:
Q/t = stopnja absorpcije toplote, 1000 W/m²2 = sončna konstanta, e = emisivnost objekta, A = površina objekta, θ = kot, ki ga sončna svetloba tvori s črtami, pravokotnimi na površino objekta,
Cos θ = efektivna površina (komponenta površine predmetov, pravokotnih na sončno svetlobo)
Čez dan so sončni žarki vzporedni ali sovpadajo s črto, pravokotno na zemeljsko površino (nastali kot = 0).
Spodnja tvorba = 0o, zato je stopnja absorpcije toplote:
Stopnja absorpcije toplote (Q/t) je največja, če je kot, ki ga sončna svetloba tvori s črto, pravokotno na zemeljsko površino, = 0o (cos 0 = 1). Običajno se to zgodi podnevi, ko je sonce pravokotno na površino Zemlje. Zato ni treba biti presenečen, če je dnevna svetloba bolj vroča kot zjutraj ali zvečer. Zjutraj in zvečer je ustvarjeni kot blizu 90.o.
Če je oblikovani kot 80o, potem je stopnja absorpcije toplote:
Stopnja absorpcije toplote (Q/t) zjutraj in zvečer je minimalna, ker je cos θ blizu nič. Manjši kot je cos θ, manjša je stopnja absorpcije toplote.
Ob sončnem zahodu na zahodnem obzorju ali tik pred vzhodnim obzorjem je ustvarjeni kot = 90o.
Ker je kot, ki ga tvorijo, 90o, stopnja absorpcije toplote je:
Hitrost absorpcije toplote (Q/t) ob sončnem zahodu ali tik pred vzhodom = 0.
