1. Định nghĩa về truyền nhiệt bằng bức xạ
Bạn sẽ cảm thấy thế nào nếu mặc quần áo đen vào một ngày nóng bức, hoặc khi tập thể dục vào ban ngày? So với khi bạn mặc quần áo trắng? Nếu bạn mặc quần áo đen vào ban ngày, bạn sẽ cảm thấy nóng. Tại sao lại như vậy? Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất vào buổi sáng gần như giống với khoảng cách giữa mặt trời và trái đất vào ban ngày và buổi tối. Vậy tại sao buổi sáng và buổi tối lại mát hơn, còn ban ngày lại nóng hơn? Câu trả lời cho những câu hỏi này liên quan đến sự truyền nhiệt bằng bức xạ.
Truyền nhiệt bằng bức xạ là sự truyền nhiệt dưới dạng sóng điện từ. Ví dụ về truyền nhiệt bằng bức xạ là hơi ấm cơ thể bạn khi ở gần lò sưởi và sự truyền nhiệt từ mặt trời đến trái đất. Mặt trời có nhiệt độ cao hơn (khoảng 6000 Kelvin), trong khi trái đất có nhiệt độ thấp hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trời và trái đất khiến nhiệt truyền từ mặt trời (nhiệt độ cao hơn) đến trái đất (nhiệt độ thấp hơn). Nếu sự truyền nhiệt từ mặt trời đến trái đất cần một môi trường trung gian, như truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu, thì nhiệt không thể đến được trái đất; nhiệt phải truyền qua chân không (hoặc gần như trống rỗng). Nếu không có nhiệt từ mặt trời, sự sống trên trái đất sẽ không bao giờ tồn tại vì sự sống cần năng lượng từ mặt trời.
Một ví dụ khác về sự truyền nhiệt bằng bức xạ là cảm giác nóng khi chúng ta ở gần ngọn lửa. Cảm giác nóng này không phải do không khí quá nóng bởi ngọn lửa gây ra. Như đã giải thích trước đó, không khí nóng sẽ giãn nở làm giảm mật độ. Kết quả là, không khí có mật độ giảm sẽ di chuyển theo chiều dọc lên trên, chứ không phải di chuyển theo chiều ngang về phía chúng ta. Cơ thể chúng ta cảm thấy ấm hoặc nóng khi ở gần ngọn lửa vì nhiệt truyền qua bức xạ từ ngọn lửa (nhiệt độ cao hơn) đến cơ thể chúng ta (nhiệt độ thấp hơn).
Truyền nhiệt bằng bức xạ hơi khác so với truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu xảy ra khi các vật có sự chênh lệch nhiệt độ tiếp xúc với nhau. Mặt khác, truyền nhiệt bằng bức xạ có thể xảy ra mà không cần tiếp xúc.
2. Phương trình truyền nhiệt bằng bức xạ
Tốc độ truyền nhiệt bằng bức xạ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của vật thể và nhiệt độ tuyệt đối (thang Kelvin) của vật thể. Các vật thể có diện tích bề mặt lớn hơn có tốc độ truyền nhiệt cao hơn các vật thể có diện tích bề mặt nhỏ hơn.
Tương tự, các vật thể có nhiệt độ 2000 Kelvin, chẳng hạn, có tốc độ truyền nhiệt là 2.4 = Cao hơn 16 lần so với các vật thể có nhiệt độ 1000 Kelvin. Kết quả này được Josef Stefan phát hiện vào năm 1879 và được Ludwig Boltzmann chứng minh về mặt lý thuyết khoảng năm năm sau đó.
Q = nhiệt lượng, t = thời gian, A = diện tích bề mặt của vật thể (m²)2), T = nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (K) e = hệ số phát xạ (số không thứ nguyên có giá trị từ 0 đến 1), σ = 5.67 x 10-8 W / m2.K4 (Hằng số phổ quát. Còn được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann), Q/t = tốc độ truyền nhiệt bằng bức xạ
Các vật thể có bề mặt tối màu (đen) có hệ số phát xạ gần bằng 1, trong khi các vật thể có màu sáng có hệ số phát xạ gần bằng 0. Hệ số phát xạ của một vật thể càng lớn (e càng tiến gần đến 1), thì tốc độ tỏa nhiệt của vật thể đó càng cao. Ngược lại, hệ số phát xạ của một vật thể càng nhỏ (e càng tiến gần đến 0), thì tốc độ tỏa nhiệt càng thấp. Ta có thể nói rằng các vật thể màu tối (đen) thường tỏa ra nhiều nhiệt hơn các vật thể màu sáng (trắng).
Hệ số phát xạ không chỉ quyết định khả năng phát nhiệt của một vật thể, mà còn cả khả năng hấp thụ nhiệt từ các vật thể khác. Các vật thể có hệ số phát xạ gần bằng 1 (vật thể tối màu) hấp thụ gần như toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra từ chúng. Chỉ một phần nhỏ được phản xạ lại. Ngược lại, các vật thể có hệ số phát xạ gần bằng 0 (vật thể sáng màu) hấp thụ rất ít nhiệt lượng tỏa ra từ chúng. Hầu hết nhiệt lượng được vật thể phản xạ lại. Một vật thể hấp thụ toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra từ nó có hệ số phát xạ bằng 1. Loại vật thể này được gọi là "vật thể đen". Thuật ngữ "vật thể đen" không giải thích rằng vật thể đó có màu đen, mà giải thích khả năng hấp thụ toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra từ chúng của vật thể đó.
3. Tốc độ nhiệt lượng do mặt trời phát ra
Dựa trên các tính toán (theo thực tế), người ta thấy rằng có một lượng nhiệt 1350 Joule/giây/m² truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất. Vào một ngày nắng (không mây), lượng nhiệt truyền đến bề mặt Trái Đất là 1000 Joule/giây/m². Vào một ngày nắng (nhiều mây), khoảng 70% nhiệt lượng bị khí quyển Trái Đất hấp thụ, chỉ có 30% nhiệt lượng đến được bề mặt Trái Đất. Lượng nhiệt bị mất đi trong khí quyển Trái Đất phụ thuộc vào số lượng mây. Lượng nhiệt 1350 Joule/giây/m² được gọi là... hằng số mặt trờiVì Jun trên giây (J/s) = Watt, nên ta có thể viết lại như sau: hằng số mặt trời tới 1350 Watt trên mét vuông = 1350 W/m²2
Khi nhiệt lượng do mặt trời phát ra chiếu đến bề mặt trái đất, nhiệt lượng này sẽ được trái đất và các vật thể trên bề mặt trái đất hấp thụ. Tốc độ hấp thụ nhiệt phụ thuộc vào hệ số phát xạ (ε) của vật thể, diện tích bề mặt của vật thể và góc tạo bởi ánh sáng mặt trời với đường vuông góc với bề mặt của vật thể.
Thông tin:
Q/t = hệ số hấp thụ nhiệt, 1000 W/m²2 = hằng số bức xạ mặt trời, ε = hệ số phát xạ của vật thể, A = diện tích bề mặt của vật thể, θ = góc tạo bởi ánh sáng mặt trời với các đường vuông góc với bề mặt của vật thể.
A cos θ = diện tích hiệu dụng (diện tích bề mặt thành phần của các vật thể vuông góc với ánh sáng mặt trời)
Ban ngày, các tia nắng mặt trời song song hoặc trùng với đường thẳng vuông góc với bề mặt trái đất (góc tạo thành = 0).
Phần dưới được hình thành = 0oDo đó, tốc độ hấp thụ nhiệt là:
Tốc độ hấp thụ nhiệt (Q/t) đạt giá trị cực đại khi góc tạo bởi ánh sáng mặt trời với đường vuông góc với mặt đất bằng 0.o (cos θ = 1). Thông thường, hiện tượng này xảy ra vào ban ngày, khi mặt trời vuông góc với bề mặt trái đất. Vì vậy, không cần phải ngạc nhiên nếu ban ngày nóng hơn buổi sáng hoặc buổi tối. Vào buổi sáng và buổi tối, góc tạo thành gần bằng 90 độ.o.
Nếu góc tạo thành là 80 độoKhi đó, tốc độ hấp thụ nhiệt là:
Tốc độ hấp thụ nhiệt (Q/t) vào buổi sáng và buổi tối là nhỏ nhất vì cos θ gần bằng 0. Cos θ càng nhỏ thì tốc độ hấp thụ nhiệt càng nhỏ.
Vào lúc mặt trời lặn ở đường chân trời phía tây hoặc sắp mọc ở đường chân trời phía đông, góc tạo thành bằng 90 độ.o.
Vì góc tạo thành là 90 độ.oTốc độ hấp thụ nhiệt là:
Tốc độ hấp thụ nhiệt (Q/t) lúc hoàng hôn hoặc sắp mọc = 0.
