వికిరణం ద్వారా ఉష్ణ బదిలీ

1. వికిరణం ద్వారా ఉష్ణ బదిలీ నిర్వచనం

వేడి రోజున మీరు నల్లని దుస్తులు ధరించినప్పుడు లేదా పగటిపూట వ్యాయామం చేస్తున్నప్పుడు మీకు ఎలా అనిపిస్తుంది? తెల్లని దుస్తులు ధరించినప్పటితో పోల్చి చూడండి. మీరు పగటిపూట నల్లని దుస్తులు ధరిస్తే, మీకు వేడిగా అనిపిస్తుంది. ఎందుకలా? ఉదయం పూట సూర్యునికి, భూమికి మధ్య ఉండే దూరం, పగలు మరియు సాయంత్రం వేళల్లో సూర్యునికి, భూమికి మధ్య ఉండే దూరానికి దాదాపు సమానంగా ఉంటుంది. అలాంటప్పుడు పగలూ, పగలూ ఎందుకు వేడిగా, పగలూ ఎందుకు చల్లగా ఉంటాయి? ఈ ప్రశ్నలకు సమాధానాలు రేడియేషన్ ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీకి సంబంధించినవి.

వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీ అంటే విద్యుదయస్కాంత తరంగాల రూపంలో జరిగే ఉష్ణ బదిలీ. మీరు కొలిమి దగ్గర ఉన్నప్పుడు మీ శరీరానికి కలిగే వెచ్చదనం మరియు సూర్యుని నుండి భూమికి జరిగే ఉష్ణ బదిలీ, వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీకి ఉదాహరణలు. సూర్యునికి అధిక ఉష్ణోగ్రత (సుమారు 6000 కెల్విన్) ఉండగా, భూమికి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత ఉంటుంది. సూర్యునికి, భూమికి మధ్య ఉన్న ఈ ఉష్ణోగ్రతా వ్యత్యాసం వల్ల, వేడి సూర్యుని (అధిక ఉష్ణోగ్రత) నుండి భూమికి (తక్కువ ఉష్ణోగ్రత) ప్రయాణిస్తుంది. ఉష్ణ వాహనం మరియు ఉష్ణ సంవహనం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీ లాగా, సూర్యుని నుండి భూమికి ఉష్ణ బదిలీ జరగడానికి ఒక మధ్యవర్తి లేదా మాధ్యమం అవసరమైతే, వేడి భూమికి చేరలేదు; వేడి తప్పనిసరిగా శూన్యం (లేదా దాదాపు ఖాళీగా ఉన్న ప్రదేశం) గుండా ప్రయాణించాలి. సూర్యుని నుండి వేడి లేకపోతే, భూమిపై జీవం ఎప్పటికీ ఉండదు, ఎందుకంటే జీవానికి సూర్యుని నుండి శక్తి అవసరం.

వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీకి మరొక ఉదాహరణ, మనం మంట దగ్గర ఉన్నప్పుడు మనకు కలిగే వేడి. మనకు కలిగే ఈ వేడి, మంట కారణంగా గాలి అధికంగా వేడెక్కడం వల్ల కలిగేది కాదు. ఇంతకు ముందు వివరించినట్లుగా, వేడి గాలి వ్యాకోచిస్తుంది, తద్వారా దాని సాంద్రత తగ్గుతుంది. ఫలితంగా, తగ్గిన సాంద్రత గల గాలి నిలువుగా పైకి కదులుతుంది, మన వైపు అడ్డంగా కదలదు. మన శరీరం మంట దగ్గర ఉన్నప్పుడు వెచ్చగా లేదా వేడిగా అనిపిస్తుంది, ఎందుకంటే వేడి వికిరణం ద్వారా మంట (అధిక ఉష్ణోగ్రత) నుండి మన శరీరానికి (తక్కువ ఉష్ణోగ్రత) ప్రసరిస్తుంది.

ఉష్ణ వాహనం మరియు సంవహనం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీతో పోలిస్తే, వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీ కొద్దిగా భిన్నంగా ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రత వ్యత్యాసాలు ఉన్న వస్తువులు ఒకదానికొకటి తాకినప్పుడు ఉష్ణ వాహనం మరియు సంవహనం ద్వారా ఉష్ణ బదిలీ జరుగుతుంది. మరోవైపు, వికిరణం ద్వారా ఉష్ణ బదిలీ స్పర్శ లేకుండానే జరగవచ్చు.

2. రేడియేషన్ ద్వారా ఉష్ణ బదిలీ సమీకరణం

వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీ రేటు వస్తువు యొక్క వైశాల్యానికి మరియు దాని సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రతకు (కెల్విన్ స్కేల్) అనుపాతంలో ఉంటుంది. తక్కువ ఉపరితల వైశాల్యం ఉన్న వస్తువులతో పోలిస్తే, ఎక్కువ ఉపరితల వైశాల్యం ఉన్న వస్తువులలో ఉష్ణ బదిలీ రేటు ఎక్కువగా ఉంటుంది.

అదేవిధంగా, ఉదాహరణకు, 2000 కెల్విన్ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువులలో ఉష్ణ బదిలీ రేటు, 1000 కెల్విన్ ఉష్ణోగ్రత ఉన్న వస్తువుల కంటే 2 ⁴ = 16 రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఈ ఫలితాన్ని 1879లో జోసెఫ్ స్టెఫాన్ కనుగొన్నారు మరియు సుమారు ఐదు సంవత్సరాల తరువాత లుడ్విగ్ బోల్ట్జ్‌మాన్ దీనిని సైద్ధాంతికంగా ఉత్పాదించారు.

Q = ఉష్ణం, t = సమయం, A = వస్తువు యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం (మీ ² ), T = వస్తువు యొక్క సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రత (K) e = ఉద్గారత (0 నుండి 1 వరకు పరిమాణం గల పరిమాణరహిత సంఖ్య), σ = 5.67 x 10 ^-8 W/m ² .K ⁴ (సార్వత్రిక స్థిరాంకం. దీనిని స్టీఫన్-బోల్ట్జ్‌మాన్ స్థిరాంకం అని కూడా అంటారు), Q/t = వికిరణం ద్వారా జరిగే ఉష్ణ బదిలీ రేటు

ముదురు రంగు ఉపరితలాలు (నలుపు) ఉన్న వస్తువులకు ఉద్గారత 1కి దగ్గరగా ఉంటుంది, అయితే లేత రంగు వస్తువులకు ఉద్గారత 0కి దగ్గరగా ఉంటుంది. ఒక వస్తువు యొక్క ఉద్గారత ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే (e 1కి దగ్గరగా ఉంటే), ఆ వస్తువు నుండి వెలువడే ఉష్ణం రేటు అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ఒక వస్తువు యొక్క ఉద్గారత ఎంత తక్కువగా ఉంటే (e 0కి దగ్గరగా ఉంటే), అది విడుదల చేసే ఉష్ణం రేటు అంత తక్కువగా ఉంటుంది. సాధారణంగా ముదురు రంగు వస్తువులు (నలుపు) లేత రంగు వస్తువుల (తెలుపు) కంటే ఎక్కువ ఉష్ణాన్ని విడుదల చేస్తాయని మనం చెప్పవచ్చు.

ఉద్గారత పరిమాణం ఒక వస్తువు యొక్క ఉష్ణాన్ని విడుదల చేసే సామర్థ్యాన్ని మాత్రమే కాకుండా, ఇతర వస్తువుల నుండి వెలువడే ఉష్ణాన్ని గ్రహించే సామర్థ్యాన్ని కూడా నిర్ధారిస్తుంది. ఉద్గారత 1కి దగ్గరగా ఉన్న వస్తువులు (ముదురు రంగు వస్తువులు) వాటిపై వెలువడే దాదాపు మొత్తం ఉష్ణాన్ని గ్రహిస్తాయి. కేవలం ఒక చిన్న భాగం మాత్రమే పరావర్తనం చెందుతుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, ఉద్గారత 0కి దగ్గరగా ఉన్న వస్తువులు (లేత రంగు వస్తువులు) వాటిపై వెలువడే కొద్దిపాటి ఉష్ణాన్ని మాత్రమే గ్రహిస్తాయి. చాలా వరకు ఉష్ణం ఆ వస్తువు ద్వారా పరావర్తనం చెందుతుంది. తనపై వెలువడే మొత్తం ఉష్ణాన్ని గ్రహించే వస్తువు యొక్క ఉద్గారత = 1. ఈ రకమైన వస్తువును "నల్ల వస్తువు" అని అంటారు. నల్ల వస్తువు అనే పదం, వస్తువులు నల్లగా ఉంటాయని వివరించదు, కానీ వాటిపై వెలువడే మొత్తం ఉష్ణాన్ని గ్రహించే వస్తువుల సామర్థ్యాన్ని వివరిస్తుంది.

3. సూర్యుని ద్వారా వెలువడే ఉష్ణం యొక్క రేటు

(వాస్తవానికి) చేసిన లెక్కల ప్రకారం, సూర్యుని నుండి భూమికి ప్రతి చదరపు మీటరుకు సెకనుకు 1350 జౌల్స్ ఉష్ణం ప్రసరిస్తుందని కనుగొనబడింది. మేఘాలు లేని ప్రకాశవంతమైన రోజున, ప్రతి చదరపు మీటరుకు సెకనుకు 1000 జౌల్స్ ఉష్ణం భూమి ఉపరితలానికి చేరుతుంది. ఎండగా ఉన్న రోజున (అనేక మేఘాలు ఉన్నప్పుడు), సుమారు 70% ఉష్ణం భూమి వాతావరణం ద్వారా గ్రహించబడుతుంది, కేవలం 30% ఉష్ణం మాత్రమే భూమి ఉపరితలానికి చేరుతుంది. భూమి వాతావరణంలో అదృశ్యమయ్యే ఉష్ణం యొక్క పరిమాణం మేఘాలు ఎక్కువగా ఉన్నాయా లేదా తక్కువగా ఉన్నాయా అనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రతి చదరపు మీటరుకు సెకనుకు 1350 జౌల్స్ ఉష్ణ పరిమాణాన్ని సౌర స్థిరాంకం అంటారు. జౌల్స్ పర్ సెకండ్ (J/s) = వాట్స్ కాబట్టి, మనం సౌర స్థిరాంకాన్ని ప్రతి చదరపు మీటరుకు 1350 వాట్స్ = 1350 W/m² గా ^{తిరిగి} వ్రాయవచ్చు.

సూర్యుని నుండి వెలువడే వేడి భూమి ఉపరితలానికి చేరినప్పుడు, ఆ వేడి భూమి మరియు దాని ఉపరితలంపై ఉన్న వస్తువులచే శోషించబడుతుంది. వేడిని శోషించుకునే రేటు వస్తువు యొక్క ఉద్గారత (e), వస్తువు యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం మరియు వస్తువు ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే రేఖతో సూర్యకాంతి ఏర్పరిచే కోణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

సమాచారం:
Q/t = ఉష్ణ శోషణ రేటు, 1000 W/m² = సౌర స్థిరాంకం, e = వస్తువు యొక్క ఉద్గారత, A = వస్తువు యొక్క ఉపరితల వైశాల్యం, θ = వస్తువు యొక్క ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే రేఖలతో సూర్యకాంతి ఏర్పరిచే కోణం,

A cos θ = ప్రభావవంతమైన వైశాల్యం (సూర్యరశ్మికి లంబంగా ఉండే వస్తువుల ఉపరితల వైశాల్యం యొక్క భాగం)

పగటిపూట, సూర్యకిరణాలు భూమి ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే రేఖకు సమాంతరంగా లేదా దానితో ఏకీభవిస్తాయి (ఏర్పడే కోణం = 0).

దిగువన ఏర్పడినది = 0 ^o , కాబట్టి, ఉష్ణ శోషణ రేటు:

భూ ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే రేఖతో సూర్యకాంతి ఏర్పరిచే కోణం 0 ^° (cos θ = 1) అయినప్పుడు ఉష్ణ శోషణ రేటు (Q/t) గరిష్టంగా ఉంటుంది. సాధారణంగా, సూర్యుడు భూ ఉపరితలానికి లంబంగా ఉండే పగటిపూట ఇది సంభవిస్తుంది. కాబట్టి, ఉదయం లేదా సాయంత్రం కంటే పగటి వెలుతురు వేడిగా ఉంటే ఆశ్చర్యపోనవసరం లేదు. ఉదయం మరియు సాయంత్రం వేళల్లో, ఏర్పడే కోణం 90 ^° కి దగ్గరగా ఉంటుంది.

ఏర్పడిన కోణం 80 ^° అయితే , ఉష్ణ శోషణ రేటు ఎంత?

cos θ సున్నాకు దగ్గరగా ఉండటం వల్ల ఉదయం మరియు సాయంత్రం వేళల్లో ఉష్ణ శోషణ రేటు (Q/t) కనిష్టంగా ఉంటుంది. cos θ ఎంత తక్కువగా ఉంటే, ఉష్ణ శోషణ రేటు అంత తక్కువగా ఉంటుంది.

పడమర దిగంతంలో సూర్యాస్తమయం సమయంలో లేదా తూర్పు దిగంతంలో సూర్యోదయం కాబోతున్నప్పుడు, ఏర్పడే కోణం = 90 ^°.

ఏర్పడిన కోణం 90 ^° కాబట్టి , ఉష్ణ శోషణ రేటు:

సూర్యాస్తమయం సమయంలో లేదా సూర్యోదయానికి ముందు ఉష్ణ శోషణ రేటు (Q/t) = 0.