คุณรู้สึกอย่างไรหากสวมเสื้อผ้าสีดำในวันที่อากาศร้อน หรือขณะออกกำลังกายในเวลากลางวัน? เปรียบเทียบกับตอนที่คุณสวมเสื้อผ้าสีขาวดูสิ? หากคุณสวมเสื้อผ้าสีดำในเวลากลางวัน คุณจะรู้สึกร้อนได้ง่าย ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? ระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกในตอนเช้าเกือบจะเท่ากับระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับโลกในตอนเที่ยงและตอนเย็น ดังนั้นทำไมตอนเช้าและตอนเย็นจึงเย็นกว่า และตอนบ่ายจึงร้อนกว่า? คำตอบของคำถามเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี
การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี คือการถ่ายเทความร้อนในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวอย่างของการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี ได้แก่ ความอบอุ่นที่ร่างกายรู้สึกเมื่ออยู่ใกล้เตา และการถ่ายเทความร้อนจากดวงอาทิตย์สู่โลก ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิ สูงกว่า (ประมาณ 6000 เคลวิน) ในขณะที่โลกมีอุณหภูมิต่ำกว่า ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างดวงอาทิตย์และโลกนี้ทำให้ความร้อนเคลื่อนที่จากดวงอาทิตย์ (อุณหภูมิสูงกว่า) ไปสู่โลก (อุณหภูมิต่ำกว่า) หากการถ่ายเทความร้อนจากดวงอาทิตย์สู่โลกต้องอาศัยตัวกลาง เช่นเดียวกับการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนและการพาความร้อน ความร้อนก็จะไม่สามารถไปถึงโลกได้ มันจะต้องผ่านสุญญากาศ (หรือเกือบจะเป็นสุญญากาศ) หากปราศจากความร้อนจากดวงอาทิตย์ ชีวิตบนโลกก็จะไม่สามารถดำรงอยู่ได้ เพราะชีวิตต้องการพลังงาน
อีกตัวอย่างหนึ่งของการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีคือความร้อนที่เราสัมผัสได้เมื่ออยู่ใกล้เปลวไฟ ความร้อนที่เราสัมผัสได้นั้นไม่ได้เกิดจากการที่อากาศร้อนจัดเนื่องจากเปลวไฟ ดังที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ อากาศร้อนจะขยายตัว ทำให้ความหนาแน่นลดลง ส่งผลให้อากาศที่มีความหนาแน่นลดลงเคลื่อนที่ขึ้นในแนวดิ่ง ไม่ใช่เคลื่อนที่ในแนวนอนเข้าหาเรา ร่างกายของเราจึงรู้สึกอบอุ่นหรือร้อนเมื่ออยู่ใกล้เปลวไฟ เพราะความร้อนถูกถ่ายเทโดยการแผ่รังสีจากเปลวไฟ (อุณหภูมิสูงกว่า) ไปสู่ร่างกายของเรา (อุณหภูมิต่ำกว่า)
การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีนั้นแตกต่างจากการถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนและการพาความร้อน เล็กน้อย การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนและการพาความร้อนเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน ในทางกลับกัน การถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องสัมผัสกัน
สูตรการถ่ายเทความร้อนจากการแผ่รังสี
อัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีพบว่าแปรผันตรงกับพื้นที่ผิวของวัตถุและกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของวัตถุ (มาตราเคลวิน) วัตถุที่มีพื้นที่ผิวมากกว่าจะมีอัตราการถ่ายเทความร้อนมากกว่าวัตถุที่มีพื้นที่ผิวน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น วัตถุที่อุณหภูมิ 2000 เคลวินจะมีอัตราการถ่ายเทความร้อนมากกว่า วัตถุที่อุณหภูมิ 1000 เคลวินถึง 2⁴ = 16 เท่า ผลลัพธ์นี้ถูกค้นพบโดยโจเซฟ สเตฟาน ในปี 1879 และได้รับการพิสูจน์ทางทฤษฎีโดยลุดวิก โบลต์ซมันน์ประมาณ 5 ปีต่อมา
คำอธิบาย: Q = ความร้อน, t = เวลา, A = พื้นที่ผิวของวัตถุ (ตร.ม.)2), T = อุณหภูมิสัมบูรณ์ของวัตถุ (K), e = ค่าการแผ่รังสี (ตัวเลขไร้หน่วยที่มีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 1), 5,67 x 10-8 W / m2.K4 (ค่าคงที่สากล หรือเรียกอีกอย่างว่า ค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์) Q/t = อัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี หรืออัตราการแผ่รังสีพลังงาน
วัตถุที่มีพื้นผิวสีเข้ม (สีดำ) จะมีค่าการแผ่รังสีความร้อนใกล้เคียงกับ 1 ในขณะที่วัตถุสีอ่อนจะมีค่าการแผ่รังสีความร้อนใกล้เคียงกับ 0 ยิ่งค่าการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุสูง (e ใกล้เคียงกับ 1) อัตราการปล่อยความร้อนของวัตถุนั้นก็จะยิ่งสูง ในทางกลับกัน ยิ่งค่าการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุต่ำ (e ใกล้เคียงกับ 0) อัตราการปล่อยความร้อนก็จะยิ่งต่ำ เราจึงกล่าวได้ว่าวัตถุสีเข้ม (สีดำ) มักจะปล่อยความร้อนมากกว่าวัตถุสีอ่อน (สีขาว)
ค่าการแผ่รังสีความร้อนไม่เพียงแต่กำหนดความสามารถของวัตถุในการแผ่ความร้อนเท่านั้น แต่ยังกำหนดความสามารถของวัตถุในการดูดซับความร้อนที่แผ่มาจากวัตถุอื่นด้วย วัตถุที่มีค่าการแผ่รังสีความร้อนใกล้เคียงกับ 1 (วัตถุสีเข้ม) จะดูดซับความร้อนที่แผ่มาเกือบทั้งหมด มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่สะท้อนกลับ ในทางกลับกัน วัตถุที่มีค่าการแผ่รังสีความร้อนใกล้เคียงกับ 0 (วัตถุสีอ่อน) จะดูดซับความร้อนที่แผ่มาเพียงเล็กน้อย ความร้อนส่วนใหญ่จะถูกสะท้อนกลับจากวัตถุ วัตถุที่ดูดซับความร้อนที่แผ่มาทั้งหมดจะมีค่าการแผ่รังสีความร้อนเท่ากับ 1 วัตถุประเภทนี้เรียกว่า "วัตถุดำ" คำว่าวัตถุดำไม่ได้หมายถึงวัตถุที่มีสีดำ แต่หมายถึงความสามารถของวัตถุในการดูดซับความร้อนที่แผ่มาทั้งหมด
