1. Definition av värmeöverföring genom strålning
Hur känns det om du har svarta kläder på dig en varm dag, eller när du tränar under dagen? Jämför med när du har vita kläder på dig? Om du har svarta kläder på dig under dagen känner du dig varm. Varför är det så? Avståndet mellan solen och jorden på morgonen är nästan detsamma som avståndet mellan solen och jorden under dagen och kvällen. Varför är då morgnarna och kvällarna svalare, varmare under dagen? Svaren på dessa frågor är relaterade till värmeöverföring genom strålning.
Värmeöverföring genom strålning är värmeöverföring i form av elektromagnetiska vågor. Exempel på värmeöverföring genom strålning är värmen från din kropp när du är nära en ugn och värmeöverföring från solen till jorden. Solen har en högre temperatur (runt 6000 Kelvin), medan jorden har en lägre temperatur. Temperaturskillnaden mellan solen och jorden gör att värme rör sig från solen (högre temperatur) till jorden (lägre temperatur). Om värmeöverföring från solen till jorden kräver en mellanhand eller ett medium, liksom värmeöverföring genom ledning och konvektion, kan värme inte nå jorden; värme måste passera genom ett vakuum (eller nästan tomt). Om det inte finns någon värme från solen kommer liv på jorden aldrig att existera eftersom liv kräver energi från solen.
Ett annat exempel på värmeöverföring genom strålning är den värme som känns när vi är nära en låga. Värmen vi känner orsakas inte av överhettad luft på grund av en låga. Som tidigare förklarats kommer varm luft att expandera så att densiteten minskar. Som ett resultat rör sig luften med reducerad densitet vertikalt uppåt, inte horisontellt mot oss. Vår kropp känns varm eller het när den är nära lågan eftersom värme rör sig genom strålning från lågan (högre temperatur) till vår kropp (lägre temperatur).
Värmeöverföring genom strålning skiljer sig något från värmeöverföring genom ledning och konvektion. Värmeöverföring genom ledning och konvektion sker när föremål som har temperaturskillnader vidrör varandra. Å andra sidan kan värmeöverföring genom strålning ske utan beröring.
2. Ekvationen för värmeöverföring genom strålning
Värmeöverföringshastigheten genom strålning är proportionell mot objektets area och objektets absoluta temperatur (Kelvinskalan). Objekt som har en större yta har en högre värmeöverföringshastighet än objekt som har en mindre yta.
Likaså har objekt med en temperatur på 2000 Kelvin, till exempel, en värmeöverföringshastighet på 2 4 = 16 gånger större än objekt med en temperatur på 1000 Kelvin. Detta resultat upptäcktes av Josef Stefan år 1879 och härleddes teoretiskt av Ludwig Boltzmann ungefär fem år senare.
Q = värme, t = tid, A = objektets ytarea (m² ) , T = objektets absoluta temperatur (K) e = emissivitet (dimensionslöst tal vars storlek varierar från 0 till 1), σ = 5.67 x 10⁻⁶ W /m².K⁴ ( universalkonstant . Även kallad Stefan - Boltzmanns konstant), Q/t = värmeöverföringshastigheten genom strålning
Objekt med mörka ytor (svarta) har en emissivitet nära 1, medan objekt med ljus färg har en emissivitet nära 0. Ju större emissiviteten hos ett objekt är (e närmar sig 1), desto större värmehastighet avges av objektet. Omvänt, ju mindre emissiviteten hos ett objekt är (e närmar sig 0), desto mindre värmehastighet avges. Vi kan säga att mörkfärgade objekt (svarta) vanligtvis avger mer värme än ljusfärgade objekt (vita).
Mängden emissivitet avgör inte bara ett objekts förmåga att avge värme, utan också dess förmåga att absorbera värme som avges av andra objekt. Objekt som har en emissivitet nära 1 (mörkfärgade objekt) absorberar nästan all värme som avges från dem. Endast en liten del reflekteras. Omvänt absorberar objekt som har en emissivitet nära 0 (ljusa objekt) lite värme som avges från dem. Det mesta av värmen reflekteras av objektet. Ett objekt som absorberar all värme som avges från det har emissivitet = 1. Denna typ av objekt kallas "svart objekt". Termen svart objekt förklarar inte att objekt är svarta, utan förklarar objekts förmåga att absorbera all värme som avges från dem.
3. Hastigheten av värmeavgivning från solen
Baserat på beräkningar (enligt verkligheten) fann man att det fanns en värme på 1350 joule per sekund per kvadratmeter som rörde sig från solen till jorden. På en ljus dag (inga moln) når en värme på 1000 joule per sekund per kvadratmeter jordytan. På en solig dag (många moln) absorberas cirka 70 % av värmen av jordens atmosfär, endast 30 % av värmen når jordytan. Storleken på den värme som försvinner i jordens atmosfär beror på många eller få moln. Värmemängden på 1350 joule per sekund per kvadratmeter är känd som solkonstanten . Eftersom joule per sekund (J/s) = watt, kan vi skriva om solkonstanten till 1350 watt per kvadratmeter = 1350 W/m².
När värmen som avges från solen når jordytan absorberas värmen av jorden och föremål på jordytan. Värmeabsorptionshastigheten beror på föremålets emissivitet (e), föremålets yta och vinkeln som solljuset bildar med en linje vinkelrät mot föremålets yta.
Information:
Q/t = värmeabsorptionshastighet, 1000 W/m²2 = solkonstant, e = objektets emissivitet, A = objektets yta, θ = vinkel som bildas av solljuset med linjer vinkelräta mot objektets yta,
A cos θ = effektiv area (komponentyta av objekt vinkelrätt mot solljuset)
Under dagen är solstrålarna parallella med eller sammanfaller med en linje vinkelrät mot jordytan (bildad vinkel = 0).
Den lägre formningen = 0 o , därför är värmeabsorptionshastigheten:
Värmeabsorptionshastigheten (Q/t) är maximal om vinkeln som bildas av solljuset med en linje vinkelrät mot jordytan = 0 ° (cos 0 = 1). Vanligtvis inträffar detta under dagen, då solen är vinkelrät mot jordytan. Så det finns ingen anledning att bli förvånad om dagsljuset är varmare än morgonen eller kvällen. På morgonen och kvällen är den skapade vinkeln nära 90 °.
Om den bildade vinkeln är 80 ° , då är värmeabsorptionshastigheten:
Värmeabsorptionshastigheten (Q/t) på morgonen och kvällen är minimal eftersom cos θ är nära noll. Ju mindre cos θ, desto mindre värmeabsorptionshastighet.
Vid solnedgången vid den västra horisonten eller på väg att gå upp vid den östra horisonten är den skapade vinkeln = 90 °.
Eftersom den bildade vinkeln är 90 ° blir värmeabsorptionshastigheten:
Värmeabsorptionshastigheten (Q/t) vid solnedgång eller på väg att stiga = 0.
