Διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία ☀️
Η θερμότητα που ταξιδεύει χωρίς ύλη
Η βασικότερη πηγή ενέργειας για τον πλανήτη μας είναι ο Ήλιος. Όμως ανάμεσα στον Ήλιο και τη Γη υπάρχει το διάστημα, όπου δεν υπάρχει καθόλου ύλη. Αυτό σημαίνει ότι η θερμότητα του Ήλιου δεν μπορεί να φτάσει ως εμάς ούτε με αγωγή ούτε με ρεύματα —και οι δύο αυτοί τρόποι χρειάζονται ύλη για να λειτουργήσουν. Η θερμότητα του Ήλιου διαδίδεται ώς τη Γη με έναν τρίτο τρόπο: την ακτινοβολία.
Ο Ήλιος ακτινοβολεί τεράστια ποσά ενέργειας στο διάστημα, προς όλες τις κατευθύνσεις. Μόνο ένα πολύ μικρό μέρος αυτής της ενέργειας φτάνει τελικά στη Γη. Κι όμως, αυτό το μικρό κομμάτι είναι αρκετό για να συντηρήσει τη ζωή σε ολόκληρο τον πλανήτη μας.
Η θερμότητα που ακτινοβολεί ο Ήλιος απορροφάται από τα σώματα πάνω στη Γη. Δεν την απορροφούν όμως όλα το ίδιο: οι σκουρόχρωμες επιφάνειες απορροφούν περισσότερη θερμότητα απ' ό,τι οι ανοιχτόχρωμες. Γι' αυτό, για παράδειγμα, ένα μαύρο ρούχο ζεσταίνεται πιο πολύ στον ήλιο από ένα λευκό.
Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία γίνεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το φως είναι κι αυτό ηλεκτρομαγνητικό κύμα, όμως τα κύματα που μεταφέρουν θερμότητα δεν είναι ορατά —δεν τα βλέπουμε, μόνο τα νιώθουμε ως ζέστη. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται ακόμα και μέσα στο κενό, εκεί δηλαδή που δεν υπάρχει καθόλου ύλη. Όταν ένα σώμα απορροφήσει ηλεκτρομαγνητικό κύμα, αυξάνεται η θερμική του ενέργεια και άρα και η θερμοκρασία του.
Θερμοκήπια: ντομάτες και τον χειμώνα
Πριν από μερικά χρόνια, ντομάτες μπορούσε να βρει κανείς μόνο το καλοκαίρι. Σήμερα, χάρη στις καλλιέργειες σε θερμοκήπια, μπορούμε να αγοράσουμε ντομάτες όλες τις εποχές του χρόνου.
Οι πλευρές και η στέγη ενός θερμοκηπίου κατασκευάζονται από γυαλί ή διαφανές πλαστικό. Η ενέργεια που ακτινοβολεί ο Ήλιος περνάει μέσα από αυτά και θερμαίνει το εσωτερικό του θερμοκηπίου. Το έδαφος μέσα στο θερμοκήπιο απορροφά περισσότερη ενέργεια, και αυτό με τη σειρά του θερμαίνει τον αέρα που είναι παγιδευμένος εκεί μέσα. Έτσι η θερμοκρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου γίνεται αρκετά υψηλότερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος.
Αν μπεις σε ένα αυτοκίνητο που έμεινε αρκετή ώρα στον ήλιο με τα παράθυρα κλειστά, θα νιώσεις ακριβώς την ίδια διαφορά θερμοκρασίας που νιώθει κανείς μπαίνοντας σε θερμοκήπιο. Το γυαλί των παραθύρων αφήνει την ηλιακή ακτινοβολία να μπει, αλλά η θερμότητα παγιδεύεται μέσα.
Στη χώρα μας έχουμε ηλιοφάνεια τις περισσότερες μέρες του χρόνου. Γι' αυτό οι καλλιέργειες σε θερμοκήπια είναι πολύ αποδοτικές, και δεν είναι τυχαίο ότι στην Ελλάδα υπάρχουν πολλά θερμοκήπια, όπου καλλιεργούνται φρούτα, λαχανικά αλλά και λουλούδια.
Θερμότητα δεν ακτινοβολεί μόνο ο... Ήλιος!
Όλα τα σώματα, ανάλογα με τη θερμοκρασία τους και τη φύση της επιφάνειάς τους, ακτινοβολούν θερμότητα: το ζεστό σώμα ενός καλοριφέρ, η φωτιά στο τζάκι, μια ηλεκτρική σόμπα, η πλάκα ενός αναμμένου σίδερου.
Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία βρίσκει εφαρμογές σε πολλές συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Στα εστιατόρια, για παράδειγμα, τοποθετούνται λάμπες —συνήθως κόκκινου χρώματος— πάνω από το φαγητό, για να το διατηρήσουν ζεστό. Παρόμοιες συσκευές χρησιμοποιούν οι φυσιοθεραπευτές, για να ζεστάνουν ένα συγκεκριμένο μέρος του σώματος ενός ασθενή.
Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις προτιμάται η διάδοση με ακτινοβολία, γιατί επιτρέπει να κατευθύνουμε τη θερμότητα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, ώστε να θερμανθεί ακριβώς η περιοχή που θέλουμε.
Ο ηλιακός θερμοσίφωνας 🚿
Σε όλο και περισσότερα σπίτια τοποθετούνται ηλιακοί θερμοσίφωνες. Εκεί αξιοποιούμε την ακτινοβολία θερμότητας από τον Ήλιο για να ζεστάνουμε νερό.
Μέσα στον ηλιακό θερμοσίφωνα, μπροστά από μια σκουρόχρωμη επιφάνεια είναι τοποθετημένος ένας σωλήνας. Η σκουρόχρωμη επιφάνεια απορροφά τη θερμότητα του Ήλιου και το νερό μέσα στον σωλήνα θερμαίνεται. Στη συνέχεια, η θερμότητα μεταφέρεται με ρεύματα στο δοχείο, όπου αποθηκεύεται το ζεστό νερό. Το δοχείο είναι καλυμμένο με θερμομονωτικό υλικό, ώστε να χάνεται όσο το δυνατόν λιγότερη θερμότητα.
Ο ηλιακός θερμοσίφωνας χρησιμοποιεί στην πραγματικότητα δύο διαφορετικούς τρόπους διάδοσης της θερμότητας: πρώτα ακτινοβολία, για να φτάσει η ενέργεια του Ήλιου στη σκουρόχρωμη επιφάνεια, και μετά ρεύματα, για να μεταφερθεί το ζεστό νερό μέσα στο δοχείο αποθήκευσης.