Hur känns det om du har svarta kläder på dig en varm dag eller när du tränar under dagen? Jämför det med när du har vita kläder på dig? Om du har svarta kläder på dig under dagen kommer du lätt att känna dig varm. Varför är det så? Avståndet mellan solen och jorden på morgonen är nästan detsamma som avståndet mellan solen och jorden vid middagstid och kväll. Så varför är morgonen och kvällen svalare, och eftermiddagen varmare? Svaret på dessa frågor är relaterat till värmeöverföring genom strålning.
Strålningsvärmeöverföring är överföring av värme i form av elektromagnetiska vågor. Exempel på strålningsvärmeöverföring inkluderar värmen din kropp känner när du är nära en spis och överföring av värme från solen till jorden. Solen har en högre temperatur (runt 6000 Kelvin), medan jorden har en lägre temperatur. Denna temperaturskillnad mellan solen och jorden gör att värme rör sig från solen (högre temperatur) till jorden (lägre temperatur). Om värmeöverföring från solen till jorden krävde en mellanhand, eller ett medium, som värmeöverföring genom ledning och konvektion gör, skulle värmen inte nå jorden; den skulle behöva passera genom ett vakuum (eller nästan det). Utan solens värmetillförsel skulle liv på jorden inte existera, eftersom liv kräver energi.
Ett annat exempel på värmeöverföring genom strålning är den värme vi känner när vi är nära en låga. Värmen vi känner orsakas inte av att luften överhettas av lågan. Som förklarats tidigare expanderar varm luft, vilket minskar dess densitet. Som ett resultat rör sig luften med reducerad densitet vertikalt uppåt, inte horisontellt mot oss. Våra kroppar känns varma eller heta när vi är nära en låga eftersom värme överförs genom strålning från lågan (högre temperatur) till våra kroppar (lägre temperatur).
Värmeöverföring genom strålning skiljer sig något från värmeöverföring genom ledning och konvektion . Värmeöverföring genom ledning och konvektion sker när föremål vid olika temperaturer kommer i kontakt med varandra. Omvänt kan värmeöverföring genom strålning ske utan kontakt.
Formeln för värmeöverföring genom strålning
Värmeöverföringshastigheten genom strålning visar sig vara proportionell mot objektets yta och den fjärde potensen av objektets absoluta temperatur (Kelvinskalan). Objekt med en större yta har en högre värmeöverföringshastighet än objekt med en mindre yta. Likaså har ett objekt vid 2000 Kelvin, till exempel, en värmeöverföringshastighet 2 4 = 16 gånger större än ett objekt vid 1000 Kelvin. Detta resultat upptäcktes av Josef Stefan år 1879 och härleddes teoretiskt av Ludwig Boltzmann cirka 5 år senare.
Beskrivning: Q = Värme, t = tid, A = Objektets yta (m²2), T = Objektets absoluta temperatur (K), e = Emissivitet (ett dimensionslöst tal vars värde varierar från 0 till 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (Universalkonstant. Även kallad Stefan-Boltzmanns konstant), Q/t = värmeöverföringshastighet genom strålning eller energiutstrålningshastighet
Objekt med mörka ytor (svarta) har en emissivitet nära 1, medan ljusa objekt har en emissivitet nära 0. Ju större emissiviteten hos ett objekt är (e nära 1), desto större värmeavgivningshastighet. Omvänt, ju mindre emissiviteten hos ett objekt är (e nära 0), desto mindre värmeavgivningshastighet. Vi kan säga att mörka objekt (svarta) vanligtvis avger mer värme än ljusa objekt (vita).
Storleken på emissiviteten avgör inte bara ett objekts förmåga att avge värme utan också dess förmåga att absorbera värme som avges av andra objekt. Objekt med en emissivitet nära 1 (mörka objekt) absorberar nästan all värme som avges till dem. Endast en liten del reflekteras. Omvänt absorberar objekt med en emissivitet nära 0 (ljusa objekt) lite av den värme som avges till dem. Det mesta av värmen reflekteras av objektet. Objekt som absorberar all värme som avges till dem har en emissivitet = 1. Denna typ av objekt kallas en "svart kropp". Termen svart kropp beskriver inte ett objekt som är svart utan beskriver ett objekts förmåga att absorbera all värme som avges till det.
