1. Radyasyon yoluyla ısı transferinin tanımı
Sıcak bir günde siyah kıyafet giydiğinizde veya gün içinde egzersiz yaptığınızda nasıl hissedersiniz? Beyaz kıyafet giydiğiniz zamana kıyasla? Gün içinde siyah kıyafet giyerseniz, sıcak hissedersiniz. Bunun nedeni nedir? Sabah saatlerinde güneş ile dünya arasındaki mesafe, gün ve akşam saatlerindeki mesafeyle neredeyse aynıdır. Peki neden sabahlar ve akşamlar daha serin, gündüzleri daha sıcaktır? Bu soruların cevapları, radyasyon yoluyla ısı transferiyle ilgilidir.
Radyasyon yoluyla ısı transferi, elektromanyetik dalgalar şeklinde gerçekleşen ısı transferidir. Radyasyon yoluyla ısı transferine örnek olarak, bir fırının yakınındayken vücudunuzun ısınması ve güneşten dünyaya ısı transferi verilebilir. Güneşin sıcaklığı daha yüksektir (yaklaşık 6000 Kelvin), dünyanın sıcaklığı ise daha düşüktür. Güneş ile dünya arasındaki sıcaklık farkı, ısının güneşten (yüksek sıcaklık) dünyaya (düşük sıcaklık) doğru hareket etmesine neden olur. Eğer güneşten dünyaya ısı transferi, iletim ve konveksiyon yoluyla ısı transferinde olduğu gibi bir aracı veya ortam gerektiriyorsa, ısı dünyaya ulaşamaz; ısı bir vakumdan (veya neredeyse boş bir ortamdan) geçmelidir. Güneşten ısı olmasaydı, dünyada yaşam asla var olamazdı çünkü yaşam güneşten gelen enerjiye ihtiyaç duyar.
Radyasyon yoluyla ısı transferine bir başka örnek de alevin yakınındayken hissettiğimiz ısıdır. Hissettiğimiz ısı, alev nedeniyle aşırı ısınmış havadan kaynaklanmaz. Daha önce açıklandığı gibi, sıcak hava genleşerek yoğunluğunu azaltır. Sonuç olarak, yoğunluğu azalmış hava dikey olarak yukarı doğru hareket eder, yatay olarak bize doğru hareket etmez. Vücudumuz alevin yakınındayken sıcak veya ılık hisseder çünkü ısı, radyasyon yoluyla alevden (daha yüksek sıcaklık) vücudumuza (daha düşük sıcaklık) doğru hareket eder.
Radyasyon yoluyla ısı transferi, iletim ve konveksiyon yoluyla ısı transferinden biraz farklıdır. İletim ve konveksiyon yoluyla ısı transferi, sıcaklık farkı olan nesnelerin birbirine temas etmesiyle gerçekleşir. Öte yandan, radyasyon yoluyla ısı transferi temas olmadan da gerçekleşebilir.
2. Radyasyon yoluyla ısı transferinin denklemi
Radyasyon yoluyla ısı transfer hızı, cismin yüzey alanı ve mutlak sıcaklığı (Kelvin ölçeği) ile orantılıdır. Daha büyük yüzey alanına sahip cisimler, daha küçük yüzey alanına sahip cisimlere göre daha yüksek ısı transfer hızına sahiptir.
Benzer şekilde, örneğin 2000 Kelvin sıcaklığa sahip nesnelerin ısı transfer hızı, 1000 Kelvin sıcaklığa sahip nesnelere göre 2/4 = 16 kat daha fazladır. Bu sonuç, 1879'da Josef Stefan tarafından keşfedilmiş ve yaklaşık beş yıl sonra Ludwig Boltzmann tarafından teorik olarak ortaya konmuştur.
Q = ısı, t = zaman, A = cismin yüzey alanı (m² ) , T = cismin mutlak sıcaklığı (K), e = emisyon katsayısı (boyutu 0 ile 1 arasında değişen boyutsuz bir sayı), σ = 5.67 x 10⁻⁸ W /m² · K⁴ (Evrensel sabit . Stefan-Boltzmann sabiti olarak da adlandırılır), Q/t = radyasyon yoluyla ısı transfer hızı
Koyu yüzeyli (siyah) nesnelerin yayım katsayısı 1'e yakınken, açık renkli nesnelerin yayım katsayısı 0'a yakındır. Bir nesnenin yayım katsayısı ne kadar yüksekse (e 1'e yaklaşırsa), nesnenin yaydığı ısı miktarı da o kadar yüksek olur. Tersine, bir nesnenin yayım katsayısı ne kadar düşükse (e 0'a yaklaşırsa), nesnenin yaydığı ısı miktarı da o kadar düşük olur. Dolayısıyla, koyu renkli nesnelerin (siyah) genellikle açık renkli nesnelere (beyaz) göre daha fazla ısı yaydığını söyleyebiliriz.
Emisyon katsayısı, bir cismin ısı yayma yeteneğini belirlemekle kalmaz, aynı zamanda diğer cisimler tarafından yayılan ısıyı emme yeteneğini de belirler. Emisyon katsayısı 1'e yakın olan cisimler (koyu renkli cisimler), üzerlerine yayılan ısının neredeyse tamamını emer. Sadece küçük bir kısmı yansıtılır. Tersine, emisyon katsayısı 0'a yakın olan cisimler (açık renkli cisimler), üzerlerine yayılan ısının az bir kısmını emer. Isının çoğu cisim tarafından yansıtılır. Üzerine yayılan tüm ısıyı emen bir cismin emisyon katsayısı = 1'dir. Bu tür cisimler "siyah cisim" olarak bilinir. Siyah cisim terimi, cisimlerin siyah olduğunu açıklamaz, ancak cisimlerin üzerlerine yayılan tüm ısıyı emme yeteneğini açıklar.
3. Güneşin yaydığı ısı miktarı
Hesaplamalara (gerçekliğe göre) dayanarak, güneşten dünyaya saniyede metrekare başına 1350 Joule ısı aktarıldığı bulunmuştur. Bulutsuz bir günde (aydınlık bir günde), yeryüzüne saniyede metrekare başına 1000 Joule ısı ulaşır. Çok bulutlu bir günde ise ısının yaklaşık %70'i Dünya atmosferi tarafından emilir ve sadece %30'u Dünya yüzeyine ulaşır. Dünya atmosferinde kaybolan ısı miktarı, bulutların azlığına veya çokluğuna bağlıdır. Saniyede metrekare başına 1350 Joule ısı miktarı, güneş sabiti olarak bilinir. Joule /saniye (J/s) = Watt olduğundan, güneş sabitini 1350 Watt/metrekare = 1350 W/m² olarak yeniden yazabiliriz.
Güneşten yayılan ısı, yeryüzüne ulaştığında, yeryüzü ve yeryüzündeki cisimler tarafından emilir. Isı emilim oranı, cismin yayım katsayısına (e), yüzey alanına ve güneş ışığının cismin yüzeyine dik bir çizgiyle oluşturduğu açıya bağlıdır.
Bilgi:
Q/t = ısı emilim oranı, 1000 W/m2 = güneş sabiti, e = cismin yayım katsayısı, A = cismin yüzey alanı, θ = güneş ışığının cismin yüzeyine dik çizgilerle oluşturduğu açı,
A cos θ = etkin alan (nesnelerin güneş ışığına dik bileşen yüzey alanı)
Gündüzleri güneş ışınları, yeryüzüne dik bir çizgiye paralel veya onunla çakışır (oluşturulan açı = 0).
Oluşan alt kısım = 0 o olduğundan, ısı emilim oranı şöyledir:
Güneş ışığının yeryüzüne dik bir çizgiyle oluşturduğu açı 0 ° (cos 0 = 1) olduğunda ısı emilim oranı (Q/t) maksimumdur. Bu genellikle güneşin yeryüzüne dik olduğu gündüz saatlerinde gerçekleşir. Bu nedenle, gündüz saatlerinin sabah veya akşam saatlerinden daha sıcak olması şaşırtıcı değildir. Sabah ve akşam saatlerinde oluşan açı 90 °' ye yakındır.
Oluşan açı 80 ° ise , ısı emilim oranı şöyledir:
Sabah ve akşam saatlerinde ısı emilim oranı (Q/t) minimumdur çünkü cos θ sıfıra yakındır. cos θ ne kadar küçükse, ısı emilim oranı da o kadar küçüktür.
Batı ufkunda güneş batarken veya doğu ufkunda güneş doğmak üzereyken oluşan açı 90 °' dir.
Oluşan açı 90 ° olduğundan , ısı emilim oranı şöyledir:
Güneş batarken veya güneş doğmak üzereyken ısı emilim oranı (Q/t) = 0.
