تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی۔

1. تابکاری کے ذریعے حرارت کی منتقلی کی تعریف

اگر آپ گرم دن میں سیاہ کپڑے پہنتے ہیں، یا آپ دن میں کب ورزش کرتے ہیں تو کیسا لگتا ہے؟ جب آپ سفید کپڑے پہنتے ہیں تو اس کے ساتھ موازنہ کریں؟ اگر آپ دن میں کالے کپڑے پہنتے ہیں تو آپ کو گرمی محسوس ہوتی ہے۔ ایسا کیوں ہے؟ صبح کے وقت سورج اور زمین کے درمیان فاصلہ تقریباً اتنا ہی ہوتا ہے جتنا دن اور شام میں سورج اور زمین کے درمیان ہوتا ہے۔ پھر صبح اور شامیں دن میں ٹھنڈی اور گرم کیوں ہوتی ہیں؟ ان سوالات کے جوابات تابکاری کے ذریعے حرارت کی منتقلی سے متعلق ہیں۔

تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی برقی مقناطیسی لہروں کی شکل میں حرارت کی منتقلی ہے۔ تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی کی مثالیں آپ کے جسم کی گرمی ہیں جب آپ کسی بھٹی کے قریب ہوتے ہیں اور سورج سے زمین پر حرارت کی منتقلی ہوتی ہے۔ سورج کا درجہ حرارت زیادہ ہے (تقریباً 6000 کیلون)، جبکہ زمین کا درجہ حرارت کم ہے۔ سورج اور زمین کے درمیان درجہ حرارت کا فرق سورج (زیادہ درجہ حرارت) سے زمین (کم درجہ حرارت) کی طرف گرمی کا باعث بنتا ہے۔ اگر سورج سے زمین پر حرارت کی منتقلی کے لیے درمیانی یا درمیانے درجے کی ضرورت ہوتی ہے، کیونکہ ترسیل اور نقل و حرکت کے ذریعے حرارت کی منتقلی، حرارت زمین پر نہیں پہنچ سکتی۔ گرمی کو ویکیوم (یا تقریباً خالی) سے گزرنا چاہیے۔ اگر سورج کی حرارت نہ ہو تو زمین پر زندگی کبھی موجود نہیں ہوگی کیونکہ زندگی کو سورج سے توانائی درکار ہوتی ہے۔

تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی کی ایک اور مثال گرمی کا احساس ہے جب ہم شعلے کے قریب ہوتے ہیں۔ ہم جو گرمی محسوس کرتے ہیں وہ شعلے کی وجہ سے زیادہ گرم ہوا کی وجہ سے نہیں ہوتی ہے۔ جیسا کہ پہلے بیان کیا گیا ہے، گرم ہوا پھیلے گی تاکہ کثافت کم ہو جائے۔ نتیجے کے طور پر، کم کثافت والی ہوا عمودی طور پر اوپر کی طرف حرکت کرتی ہے، افقی طور پر ہماری طرف نہیں بڑھتی ہے۔ جب ہمارا جسم شعلے کے قریب ہوتا ہے تو گرم یا گرم محسوس ہوتا ہے کیونکہ گرمی شعلے (زیادہ درجہ حرارت) سے ہمارے جسم (کم درجہ حرارت) کی طرف تابکاری کے ذریعے منتقل ہوتی ہے۔

تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی ترسیل اور نقل و حمل کے ذریعہ حرارت کی منتقلی کے مقابلے میں قدرے مختلف ہے۔ ترسیل اور نقل و حمل کے ذریعہ حرارت کی منتقلی اس وقت ہوتی ہے جب درجہ حرارت میں فرق رکھنے والی اشیاء ایک دوسرے کو چھوتی ہیں۔ دوسری طرف، تابکاری کے ذریعے گرمی کی منتقلی چھوئے بغیر ہو سکتی ہے۔

2. تابکاری کے ذریعے حرارت کی منتقلی کی مساوات

تابکاری کے ذریعہ حرارت کی منتقلی کی شرح آبجیکٹ کے رقبے اور شے کے مطلق درجہ حرارت (کیلون اسکیل) کے متناسب ہے۔ وہ اشیاء جن کی سطح کا رقبہ بڑا ہوتا ہے ان میں حرارت کی منتقلی کی شرح ان اشیاء سے زیادہ ہوتی ہے جن کی سطح کا رقبہ چھوٹا ہوتا ہے۔

اسی طرح، 2000 Kelvin کے درجہ حرارت والی اشیاء، مثال کے طور پر، 1000 Kelvin کے درجہ حرارت والی اشیاء سے حرارت کی منتقلی کی شرح 2 ⁴ = 16 گنا زیادہ ہے۔ یہ نتیجہ جوزف سٹیفن نے 1879 میں دریافت کیا تھا اور نظریاتی طور پر اسے لگ بھگ پانچ سال بعد لڈوِگ بولٹزمین نے اخذ کیا تھا۔

Q = حرارت، t = وقت، A = آبجیکٹ کا سطحی رقبہ (m ² ) , T = آبجیکٹ کا مطلق درجہ حرارت (K) e = emissivity (بغیر طول و عرض جس کا سائز 0 سے 1 تک ہے)، σ = 5.67 x 10 ^-8 W/m ² .K ⁴ (یونیورسل کنسٹنٹ۔ اسے بھی کہا جاتا ہے)، کیوٹینٹ ٹرانسفر کی شرح = سٹیٹ بی بی کی طرف سے حرارت کی منتقلی تابکاری

تاریک سطحوں والی اشیاء (سیاہ) کا اخراج 1 کے قریب ہوتا ہے، جب کہ ہلکے رنگ والی اشیاء کا اخراج 0 کے قریب ہوتا ہے۔ جتنی زیادہ کسی چیز کی خارجیت (e 1 تک پہنچتی ہے)، آبجیکٹ سے خارج ہونے والی حرارت کی شرح اتنی ہی زیادہ ہوتی ہے۔ اس کے برعکس، کسی چیز کا اخراج جتنی کم ہوگا (e 0 تک پہنچتا ہے)، خارج ہونے والی حرارت کی شرح اتنی ہی کم ہوگی۔ ہم کہہ سکتے ہیں کہ گہرے رنگ کی اشیاء (سیاہ) عام طور پر ہلکے رنگ کی اشیاء (سفید) سے زیادہ حرارت خارج کرتی ہیں۔

اخراج کی مقدار نہ صرف کسی چیز کی حرارت خارج کرنے کی صلاحیت کا تعین کرتی ہے، بلکہ کسی چیز کی دیگر اشیاء کے ذریعے خارج ہونے والی حرارت کو جذب کرنے کی صلاحیت کا بھی تعین کرتی ہے۔ وہ اشیاء جن کا اخراج 1 کے قریب ہوتا ہے (گہرے رنگ کی اشیاء) ان پر خارج ہونے والی تقریباً تمام حرارت جذب کر لیتی ہیں۔ صرف ایک چھوٹا سا حصہ جھلکتا ہے۔ اس کے برعکس، وہ اشیاء جن کا اخراج 0 کے قریب ہوتا ہے (ہلکے رنگ کی چیزیں) ان پر خارج ہونے والی تھوڑی سی حرارت جذب کرتی ہیں۔ زیادہ تر حرارت آبجیکٹ سے منعکس ہوتی ہے۔ ایک ایسی چیز جو اس پر خارج ہونے والی تمام حرارت کو جذب کر لیتی ہے اس کا اخراج = 1 ہوتا ہے۔ اس قسم کی شے کو "سیاہ چیز" کہا جاتا ہے۔ بلیک آبجیکٹ کی اصطلاح اس بات کی وضاحت نہیں کرتی ہے کہ اشیاء کالی ہیں، بلکہ اشیاء کی ان پر خارج ہونے والی تمام حرارت کو جذب کرنے کی صلاحیت کی وضاحت کرتی ہے۔

3. سورج سے خارج ہونے والی حرارت کی شرح

حسابات کی بنیاد پر (حقیقت کے مطابق) پتہ چلا کہ وہاں 1350 جولز فی سیکنڈ فی مربع میٹر کی حرارت تھی جو سورج سے زمین پر منتقل ہوتی تھی۔ ایک روشن دن (کوئی بادل نہیں)، زمین کی سطح پر 1000 جولز فی سیکنڈ فی مربع میٹر کی گرمی ہوتی ہے۔ دھوپ والے دن (بہت سے بادل)، تقریباً 70% حرارت زمین کی فضا سے جذب ہوتی ہے، صرف 30% حرارت زمین کی سطح پر آتی ہے۔ گرمی کی شدت جو زمین کی فضا میں غائب ہو جاتی ہے اس کا انحصار بہت سے یا چند بادلوں پر ہوتا ہے۔ 1350 Joules فی سیکنڈ فی مربع میٹر گرمی کی مقدار کو شمسی مستقل کہا جاتا ہے ۔ کیونکہ جولز فی سیکنڈ (J/s) = واٹس، پھر ہم شمسی مستقل کو 1350 واٹ فی مربع میٹر = 1350 W/m ^{2 پر دوبارہ لکھ سکتے ہیں۔}

جب سورج سے خارج ہونے والی حرارت زمین کی سطح پر آتی ہے تو اس حرارت کو زمین اور زمین کی سطح پر موجود اشیاء جذب کر لیتی ہیں۔ حرارت جذب کرنے کی شرح آبجیکٹ کے اخراج (e)، آبجیکٹ کی سطح کے رقبے اور سورج کی روشنی سے بننے والے زاویہ پر منحصر ہوتی ہے جس میں آبجیکٹ کی سطح پر ایک لکیر کھڑی ہوتی ہے۔

معلومات:
Q/t = حرارت جذب کرنے کی شرح، 1000 W/m² = شمسی مستقل، e = آبجیکٹ کا اخراج، A = آبجیکٹ کا سطحی رقبہ، θ = سورج کی روشنی سے بننے والا زاویہ جس کی لکیریں آبجیکٹ کی سطح پر کھڑی ہوتی ہیں،

A cos θ = مؤثر رقبہ (سورج کی روشنی کے لیے کھڑے اشیاء کے اجزاء کی سطح کا رقبہ)

دن کے وقت، سورج کی شعاعیں زمین کی سطح پر کھڑی ایک لکیر کے ساتھ متوازی یا موافق ہوتی ہیں (تشکیل شدہ زاویہ = 0)۔

کم تشکیل = 0 ^o ، لہذا، گرمی جذب کی شرح ہے:

حرارت جذب کرنے کی شرح (Q/t) زیادہ سے زیادہ ہے اگر سورج کی روشنی سے زمین کی سطح پر کھڑے ہونے والا زاویہ = 0 ^o (cos 0 = 1)۔ عام طور پر، یہ دن کے وقت ہوتا ہے، جہاں سورج زمین کی سطح پر کھڑا ہوتا ہے۔ لہذا، اگر دن کی روشنی صبح یا شام سے زیادہ گرم ہو تو حیران ہونے کی ضرورت نہیں ہے۔ صبح اور شام میں، پیدا ہونے والا زاویہ 90 ^o کے قریب ہوتا ہے ۔

اگر تشکیل شدہ زاویہ 80 ^o ہے ، تو گرمی جذب کرنے کی شرح یہ ہے:

صبح اور شام میں حرارت جذب کرنے کی شرح (Q/t) کم سے کم ہے کیونکہ cos θ صفر کے قریب ہے۔ جتنی چھوٹی cos θ، اتنی ہی کم گرمی جذب کرنے کی شرح۔

مغربی افق پر غروب آفتاب کے وقت یا مشرقی افق پر طلوع ہونے والا زاویہ = 90 ^o ۔

کیونکہ تشکیل شدہ زاویہ 90 ^o ہے ، گرمی جذب کرنے کی شرح ہے:

حرارت جذب کرنے کی شرح (Q/t) غروب آفتاب کے وقت یا بڑھنے والی = 0۔