கதிர்வீச்சு மூலம் வெப்பப் பரிமாற்றம்

1. கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்தின் வரையறை

வெப்பமான நாளில் கருப்பு நிற ஆடைகளை அணிந்தாலோ அல்லது பகலில் உடற்பயிற்சி செய்தாலோ எப்படி உணர்கிறீர்கள்? வெள்ளை நிற ஆடைகளை அணியும்போது ஏற்படும் உணர்வுடன் ஒப்பிட்டுப் பாருங்கள். பகலில் கருப்பு நிற ஆடைகளை அணிந்தால், உங்களுக்குச் சூடாக உணர்கிறீர்கள். அது ஏன்? காலையில் சூரியனுக்கும் பூமிக்கும் இடையிலான தூரம், பகல் மற்றும் மாலை நேரங்களில் சூரியனுக்கும் பூமிக்கும் இடையிலான தூரத்திற்கு ஏறக்குறைய சமமாக இருக்கிறது. அப்படியிருக்க, ஏன் காலை மற்றும் மாலை நேரங்களில் குளிர்ச்சியாகவும், பகல் நேரத்தில் வெப்பமாகவும் இருக்கிறது? இந்தக் கேள்விகளுக்கான பதில்கள், கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்துடன் தொடர்புடையவை.

கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றம் என்பது மின்காந்த அலைகளின் வடிவில் நிகழும் வெப்பப் பரிமாற்றமாகும். நீங்கள் ஒரு உலைக்கு அருகில் இருக்கும்போது உங்கள் உடலில் ஏற்படும் வெப்பம் மற்றும் சூரியனிலிருந்து பூமிக்கு நிகழும் வெப்பப் பரிமாற்றம் ஆகியவை கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்திற்கான எடுத்துக்காட்டுகள் ஆகும். சூரியன் அதிக வெப்பநிலையைக் (சுமார் 6000 கெல்வின்) கொண்டுள்ளது, அதேசமயம் பூமி குறைந்த வெப்பநிலையைக் கொண்டுள்ளது. சூரியனுக்கும் பூமிக்கும் இடையிலான வெப்பநிலை வேறுபாடு, சூரியனிலிருந்து (அதிக வெப்பநிலை) பூமிக்கு (குறைந்த வெப்பநிலை) வெப்பம் செல்லக் காரணமாகிறது. கடத்தல் மற்றும் வெப்பச்சலனம் மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்தைப் போல, சூரியனிலிருந்து பூமிக்கு வெப்பம் கடத்தப்படுவதற்கு ஒரு இடைத்தரகர் அல்லது ஊடகம் தேவைப்பட்டால், வெப்பம் பூமியை வந்தடைய முடியாது; வெப்பம் ஒரு வெற்றிடத்தின் (அல்லது கிட்டத்தட்ட வெற்றிடத்தின்) வழியாகச் செல்ல வேண்டும். சூரியனிடமிருந்து வெப்பம் இல்லையென்றால், பூமியில் உயிர்கள் ஒருபோதும் இருந்திருக்காது, ஏனெனில் உயிர்களுக்கு சூரியனிடமிருந்து ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது.

கதிர்வீச்சு மூலம் வெப்பம் கடத்தப்படுவதற்கு மற்றொரு உதாரணம், நாம் ஒரு சுடருக்கு அருகில் இருக்கும்போது உணரும் வெப்பம் ஆகும். நாம் உணரும் வெப்பம், சுடரினால் காற்று அதிக வெப்பமடைவதால் ஏற்படுவதில்லை. முன்பு விளக்கியது போல, சூடான காற்று விரிவடையும், அதனால் அதன் அடர்த்தி குறைகிறது. இதன் விளைவாக, குறைந்த அடர்த்தி கொண்ட காற்று, நம்மை நோக்கி கிடைமட்டமாக நகராமல், செங்குத்தாக மேல்நோக்கி நகர்கிறது. சுடருக்கு அருகில் இருக்கும்போது நமது உடல் சூடாக அல்லது வெப்பமாக உணர்கிறது, ஏனெனில் வெப்பம் கதிர்வீச்சு வழியாக சுடரிலிருந்து (அதிக வெப்பநிலை) நமது உடலுக்கு (குறைந்த வெப்பநிலை) கடத்தப்படுகிறது.

கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றமானது, கடத்தல் மற்றும் வெப்பச்சலனம் மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்திலிருந்து சற்றே வேறுபட்டது. வெப்பநிலை வேறுபாடுகளைக் கொண்ட பொருள்கள் ஒன்றையொன்று தொடும்போது கடத்தல் மற்றும் வெப்பச்சலனம் மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றம் நிகழ்கிறது. மறுபுறம், கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றம் தொடுதல் இல்லாமலும் நிகழலாம்.

2. கதிர்வீச்சு மூலமான வெப்பப் பரிமாற்றத்தின் சமன்பாடு

கதிர்வீச்சின் மூலமான வெப்பப் பரிமாற்ற வீதமானது, பொருளின் பரப்பளவு மற்றும் அப்பொருளின் தனி வெப்பநிலை (கெல்வின் அளவு) ஆகியவற்றுக்கு நேர் விகிதத்தில் அமைகிறது. சிறிய பரப்பளவைக் கொண்ட பொருட்களைக் காட்டிலும், பெரிய பரப்பளவைக் கொண்ட பொருட்கள் அதிக வெப்பப் பரிமாற்ற வீதத்தைக் கொண்டுள்ளன.

அதேபோல், உதாரணமாக, 2000 கெல்வின் வெப்பநிலை கொண்ட பொருட்களின் வெப்பப் பரிமாற்ற வீதம், 1000 கெல்வின் வெப்பநிலை கொண்ட பொருட்களை விட ^2⁴ = 16 மடங்கு அதிகமாகும். இந்த முடிவை 1879-ல் ஜோசப் ஸ்டீஃபன் கண்டுபிடித்தார், மேலும் சுமார் ஐந்து ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு லுட்விக் போல்ட்ஸ்மேன் இதை கோட்பாட்டு ரீதியாக வருவித்தார்.

Q = வெப்பம், t = நேரம், A = பொருளின் மேற்பரப்பு (மீ² ⁾ , T = பொருளின் தனி வெப்பநிலை (கெல்வின்), e = உமிழ்வுத்திறன் (0 முதல் 1 வரை அளவு கொண்ட பரிமாணமற்ற எண்), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W ^/ m².K⁴ ^{( சர்வ மாறிலி .} ஸ்டீஃபன்-போல்ட்ஸ்மேன் மாறிலி என்றும் அழைக்கப்படுகிறது), Q/t = கதிர்வீச்சினால் ஏற்படும் வெப்பப் பரிமாற்ற வீதம்

அடர் நிற மேற்பரப்புகளைக் கொண்ட (கருப்பு) பொருட்களின் உமிழ்வுத்திறன் 1-க்கு அருகில் இருக்கும், அதே சமயம் வெளிர் நிறப் பொருட்களின் உமிழ்வுத்திறன் 0-க்கு அருகில் இருக்கும். ஒரு பொருளின் உமிழ்வுத்திறன் அதிகமாக இருந்தால் (e, 1-ஐ நெருங்கும் போது), அப்பொருளால் உமிழப்படும் வெப்பத்தின் வீதமும் அதிகமாக இருக்கும். இதற்கு நேர்மாறாக, ஒரு பொருளின் உமிழ்வுத்திறன் குறைவாக இருந்தால் (e, 0-ஐ நெருங்கும் போது), உமிழப்படும் வெப்பத்தின் வீதமும் குறைவாக இருக்கும். பொதுவாக, வெளிர் நிறப் பொருட்களை (வெள்ளை) விட அடர் நிறப் பொருட்கள் (கருப்பு) அதிக வெப்பத்தை உமிழ்கின்றன என்று நாம் கூறலாம்.

வெப்ப உமிழ்வுத்திறனின் அளவு, ஒரு பொருள் வெப்பத்தை வெளியிடும் திறனை மட்டுமல்லாமல், மற்ற பொருட்களால் வெளியிடப்படும் வெப்பத்தை உறிஞ்சும் திறனையும் தீர்மானிக்கிறது. 1-க்கு நெருக்கமான வெப்ப உமிழ்வுத்திறனைக் கொண்ட பொருள்கள் (அடர் நிறப் பொருள்கள்), தங்கள் மீது வெளியிடப்படும் வெப்பத்தை ஏறக்குறைய முழுவதுமாக உறிஞ்சிக்கொள்கின்றன. ஒரு சிறிய பகுதி மட்டுமே பிரதிபலிக்கப்படுகிறது. இதற்கு நேர்மாறாக, 0-க்கு நெருக்கமான வெப்ப உமிழ்வுத்திறனைக் கொண்ட பொருள்கள் (வெளிர் நிறப் பொருள்கள்), தங்கள் மீது வெளியிடப்படும் வெப்பத்தை சிறிதளவு உறிஞ்சிக்கொள்கின்றன. பெரும்பாலான வெப்பம் அந்தப் பொருளாலேயே பிரதிபலிக்கப்படுகிறது. தன் மீது வெளியிடப்படும் அனைத்து வெப்பத்தையும் உறிஞ்சிக்கொள்ளும் ஒரு பொருளின் வெப்ப உமிழ்வுத்திறன் = 1 ஆகும். இந்த வகை பொருள் "கருப்புப் பொருள்" என்று அழைக்கப்படுகிறது. கருப்புப் பொருள் என்ற சொல், பொருள்கள் கருப்பாக இருக்கின்றன என்பதை விளக்கவில்லை, மாறாக, தங்கள் மீது வெளியிடப்படும் அனைத்து வெப்பத்தையும் உறிஞ்சிக்கொள்ளும் பொருள்களின் திறனை விளக்குகிறது.

3. சூரியனால் உமிழப்படும் வெப்பத்தின் வீதம்

கணக்கீடுகளின் அடிப்படையில் (உண்மையின்படி), சூரியனிலிருந்து பூமிக்கு ஒரு சதுர மீட்டருக்கு வினாடிக்கு 1350 ஜூல் வெப்பம் செல்வதாகக் கண்டறியப்பட்டது. ஒரு பிரகாசமான நாளில் (மேகங்கள் இல்லாதபோது), பூமியின் மேற்பரப்பை ஒரு சதுர மீட்டருக்கு வினாடிக்கு 1000 ஜூல் வெப்பம் வந்தடைகிறது. ஒரு வெயில் நாளில் (அதிக மேகங்கள் இருக்கும்போது), சுமார் 70% வெப்பம் பூமியின் வளிமண்டலத்தால் உறிஞ்சப்படுகிறது, வெறும் 30% வெப்பம் மட்டுமே பூமியின் மேற்பரப்பை வந்தடைகிறது. பூமியின் வளிமண்டலத்தில் மறையும் வெப்பத்தின் அளவு, மேகங்கள் அதிகமாக உள்ளதா அல்லது குறைவாக உள்ளதா என்பதைப் பொறுத்தது. ஒரு சதுர மீட்டருக்கு வினாடிக்கு 1350 ஜூல் என்ற இந்த வெப்ப அளவு சூரிய மாறிலி என்று அழைக்கப்படுகிறது. ஒரு வினாடிக்கு ஜூல் (J/s) = வாட்ஸ் என்பதால், சூரிய மாறிலியை 1350 வாட்ஸ் ஒரு சதுர மீட்டருக்கு = 1350 W/m² என்று ^{மாற்றி} எழுதலாம்.

சூரியனால் உமிழப்படும் வெப்பம் பூமியின் மேற்பரப்பை அடையும்போது, ​​அந்த வெப்பம் பூமியாலும் அதன் மேற்பரப்பில் உள்ள பொருட்களாலும் உறிஞ்சப்படுகிறது. வெப்பம் உறிஞ்சப்படும் வீதமானது, பொருளின் உமிழ்வுத்திறன் (e), பொருளின் மேற்பரப்புப் பரப்பளவு மற்றும் பொருளின் மேற்பரப்பிற்குச் செங்குத்தான ஒரு கோட்டுடன் சூரிய ஒளி உருவாக்கும் கோணம் ஆகியவற்றைப் பொறுத்து அமைகிறது.

தகவல்:
Q/t = வெப்ப உறிஞ்சும் வீதம், 1000 W/m² = சூரிய மாறிலி, e = பொருளின் உமிழ்வுத்திறன், A = பொருளின் மேற்பரப்பு, θ = பொருளின் மேற்பரப்பிற்கு செங்குத்தான கோடுகளுடன் சூரிய ஒளி உருவாக்கும் கோணம்

A cos θ = பயனுள்ள பரப்பளவு (சூரிய ஒளிக்கு செங்குத்தாக உள்ள பொருட்களின் கூறு மேற்பரப்புப் பரப்பளவு)

பகல் நேரத்தில், சூரியக் கதிர்கள் பூமியின் மேற்பரப்பிற்கு செங்குத்தான ஒரு கோட்டிற்கு இணையாகவோ அல்லது அக்கோட்டுடன் பொருந்தியோ அமையும் (உருவாக்கக் கோணம் = 0).

கீழ் உருவான வெப்பநிலை = 0 ^° , எனவே, வெப்ப உறிஞ்சுதல் விகிதம்:

பூமியின் மேற்பரப்பிற்கு செங்குத்தான ஒரு கோட்டுடன் சூரிய ஒளி உருவாக்கும் கோணம் 0 ^° ஆக இருந்தால் (cos 0 = 1), வெப்ப உறிஞ்சும் வீதம் (Q/t) அதிகபட்சமாக இருக்கும். பொதுவாக, சூரியன் பூமியின் மேற்பரப்பிற்கு செங்குத்தாக இருக்கும் பகல் நேரத்தில் இது நிகழ்கிறது. எனவே, காலை அல்லது மாலை நேரத்தை விட பகல் நேரம் வெப்பமாக இருந்தால் ஆச்சரியப்படத் தேவையில்லை. காலை மற்றும் மாலை நேரங்களில், உருவாகும் கோணம் 90 ^° க்கு அருகில் இருக்கும்.

உருவாகும் கோணம் 80 ^° எனில் , வெப்ப உள்ளீர்ப்பு வீதம்:

cos θ பூஜ்ஜியத்திற்கு அருகில் இருப்பதால், காலை மற்றும் மாலை நேரங்களில் வெப்ப உள்ளீர்ப்பு விகிதம் (Q/t) குறைந்தபட்சமாக இருக்கும். cos θ குறைவாக இருந்தால், வெப்ப உள்ளீர்ப்பு விகிதமும் குறைவாக இருக்கும்.

மேற்கு அடிவானத்தில் சூரியன் மறையும்போதோ அல்லது கிழக்கு அடிவானத்தில் சூரியன் உதிக்கத் தொடங்கும்போதோ, உருவாகும் கோணம் = 90 ^°.

உருவாகும் கோணம் 90 ^° என்பதால் , வெப்ப உறிஞ்சுதல் வீதம்:

சூரியன் மறையும் நேரத்தில் அல்லது உதயமாகும் தருவாயில் வெப்பம் உள்வாங்கும் வீதம் (Q/t) = 0.