Straling een onderschat fenomeen in warmteoverdracht

Straling

Conclusie


De opname van straling door materialen, gassen en stoffen en de afgifte van straling speelt een belangrijke rol in energie management.
De aarde wordt door straling verwarmd, de dominante bron van energie. En koelt ook af door uitstraling.

In bouwconstructies, kleding en voor verwarmingsdoeleinden is de component straling een belangrijke factor.

Straling dominante factor bij gebouwen

Bij gebouwen bedraagt het warmteverlies, als gevolg van warmteoverdracht door geleiding en convectie, circa 25% van het totale warmteverlies. Het grootste deel van het warmteverlies, namelijk 75%, wordt veroorzaakt door straling. Bij energie-efficiënt bouwen is het daarom noodzaak om met elke vorm van warmteoverdracht rekening te houden.


Eigenschappen van straling

Straling is een bijzondere vorm van energieoverdracht. Wetenschappers van ondermeer ESA, Astron, SRON, NASA meten met een gevoelige apparatuur de straling uit de ruimte. Elk atoom, en elk molecuul zoals waterstof, stikstof, koolzuurgas (CO2), zijn te herkennen uit het stralingspatroon dat ze uitzenden. Boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius = nul graden Kelvin) zendt elke stof energiepakketjes uit, zie noemt we Fotonen. Die kunnen we met hele gevoelige radiotechniek meten. Elke stof heeft zo zijn eigen stralingsvingerafdruk.

Straling heeft geen ander medium nodig om zich te verplaatsen in tegenstelling tot geleiding en convectie waar energieoverdracht gebeurt doordat moleculen door botsing trillingsenergie van elkaar overnemen.

In het stralingsspectrum van hoogfrequente straling tot langgolvige straling kunnen stoffen energie opnemen uit de fotonen-regen die op ze afkomt. De ie opname van straling uit specifieke golflengtes nemende absorptie. Water neemt bijvoorbeeld bij 2,4 giga hertz veel energie op. Daar berust het principe van de magnetron op;- alles met water in de samenstellen warmt op. Droog porcelijn bijvoorbeeld niet. Een porcelijnen beker met water erin kan daarvoor gemakkelijk met de hand uit de magnetron gehaald worden terwijl het water door de straling aan de kook is gebracht.

We steunen nog steeds op de waarnemingen van wetenschappers als Wien, Raleigh, Plank en Boltzman uit de late jaren van 1800 en de eerste decennia van 1900..

Afkoeling en opwarming van de aarde door straling


De zon straalt zijn energie uit bij een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 6000 graden C. Een klein deel van de uitgezonden energie valt op de buitenste rand van de dampkring en van dat kleine gedeelte bereikt slechts ongeveer de helft het aardoppervlak (zie figuur). De andere helft wordt teruggekaatst de ruimte in of geabsorbeerd en in warmte omgezet door wolken en door gassen in de atmosfeer als waterdamp, koolzuurgas en ozon. De geabsorbeerde energie wordt echter ook weer door de dampkring zelf uitgestraald de ruimte in, zodat er daardoor nauwelijks temperatuurveranderingen in de atmosfeer optreden. In de figuur is een en ander schematisch weergegeven.

greenhouse_effect

Het aardoppervlak en de atmosfeer zenden zelf ook onafgebroken straling uit. Als de zon onder is, wordt geen zonnestraling meer ontvangen. Het aardoppervlak gaat echter gewoon door met het uitstralen van warmte; ook blijft het nog straling opvangen van de atmosfeer. Die straling is echter onvoldoende om de afkoeling van het aardoppervlak tegen te houden. Doordat de aard van het aardoppervlak van plaats tot plaats sterk varieert, zullen de uitstraling en daardoor de nachtelijke afkoeling eveneens sterk wisselen van plaats tot plaats. De nachtelijke afkoeling wordt echter niet alleen bepaald door uitstraling vanaf het aardoppervlak; ook wind en eventueel aanwezige bewolking spelen een grote rol.

De rol van de wind is echter wat gecompliceerder dan tot nog toe werd beschreven.
  • Als de temperatuur van het aardoppervlak door de afkoeling lager is geworden dan de luchttemperatuur, zal de wind er juist toe bijdragen dat er warmte van de lucht naar het aardoppervlak toe gevoerd wordt. De wind werkt dan dus afkoeling tegen. Hoe meer wind er staat, des te meer wordt de afkoeling tegengewerkt.
  • Bij een kouder aardoppervlak is echter de turbulentie in de zwaardere lucht minder. De windsnelheid neemt daardoor af, wat juist verdere afkoeling in de hand werkt!
  • Wind kan echter ook nog warmte van andere gebieden aanvoeren; we spreken dan van advectie van warmte. Ook dan wordt de afkoeling tegengewerkt. Dit effect doet zich bijvoorbeeld 's nachts voor in de winter, als er wind van zee waait. De lucht boven zee is warmer, waardoor de afkoeling vermindert of stopt. Vooral in de kustgebieden is dit dus goed merkbaar. De temperaturen liggen er enkele graden hoger dan meer landinwaarts.

Lucht neem geen warmtestraling op

De kwantummechanica leert dat monoatomische gassen zoals argon (Ar) en diatomische gassen zoals stikstof (N2) of zuurstof (O2) zonder dipoolmoment geen absorptielijnen hebben in hun infraroodspectrum waardoor ze geen warmtestraling kunnen absorberen en niet aan het broeikaseffect kunnen bijdragen. Gasmoleculen die een dipoolovergang kunnen hebben in hun infraroodspectrum zoals waterdamp (H2O), koolstofdioxide (CO2), distikstofmonoxide (N2O), stikstofdioxide (NO2) en ozon (O3) doen dat wel. De absorptiespectra van gassen die uit nog meer atomen bestaan, zoals methaan (CH4), freon (CF2Cl2 en CFCl3) en zwavelhexafluoride (SF6) hebben meestal meer dipoolovergangen die sterker absorberen en veroorzaken daardoor een sterker broeikaseffect.

Lucht bestaat voor 80% uit stikstof en voor 19,8% uit zuurstof en neemt daarom vrijwel geen warmtestraling op. Het broeikaseffect wordt veroorzaakt door een kleine hoeveelheid restgassen.
Inverse kwadraatwet voor straling

Stralingsoverdracht van vaste objecten en wateroppervlak

Q = ε * 56,7 * 10-9 * T^4 (W/m2) (= ε * σ * T^4  = ε * Qz)


waarbij:
Q = de warmtestroomdichtheid van de afgegeven straling (W/m2)
ε = de emissiecoëfficiënt van het materiaaloppervlak
T = de absolute temperatuur (K)
σ = stralingsconstante of Boltzmann-constante (
W/m2K4)
Qz = de warmtestraling van het "zwarte lichaam"

Elk materiaal geeft warmtestraling af. Koudere voorwerpen stralen minder warmte uit dan warmere. De mate waarin warmtestraling plaatsvindt, wordt niet alleen bepaald door de temperatuur van het oppervlak, maar ook door het materiaal zelf. Dit laatste wordt uitgedrukt in een
emissiecoëfficiënt. De meeste bouwmaterialen, zoals bv. baksteen, beton en hout, hebben een hoog emissiecoëfficiënt (ca. 0,9) en stralen dus relatief gemakkelijk warmte uit. Anders gezegd: dergelijke materialen verliezen relatief eenvoudig hun warmte als gevolg van warmteoverdracht door straling. Aluminium heeft juist een lage emissiecoëfficiënt (ca. 0,1). Met de toepassing van aluminium kan de warmte-emissie via de bouwmaterialen dus sterk worden beperkt."

Voorbeeld de uitstraling van een autodak bij onbewolkte hemel in de nacht

Temp auto dak 5 graden Celcius = (273+5) = 278 Kelvin, evenals de luchttemperatuur
ε = de emissiecoëfficiënt van gelakte auto is 0,9
Per m2 verliest de auto bij een onbewolkte hemel: 0,9 * 56,7 * 10
-9 * 2784 = 304 W/m2
Autodak wordt door de langsstromende lucht wel opgewarmd maar per saldo dus kouder en kouder waardoor
deze berijpt.

bevroren autodak


Voorbeeld uitstraling van een sauna buiten zwembad bij onbewolkte hemel


Temp wateroppervlak 33 graden Celcius = (273+33) - 306 Kelvin
ε = de emissiecoëfficiënt van water is 0,95
Per m2 verliest het zwembad bij een bewolkte hemel: 0,95 * 56,7 * 10
-9 * 3064 = 472 W/m2
Voor een nacht van 10 uur wordt er 472 x 10 = 4.720 wh of te wel 4.720 x 3.600 joule aan het water onttrokken. Als het zwembad 1,5 m diep is, dan daalt de temperatuur gemiddeld 2,7 graden,

Dit is berekend met de volgende formule

Q= ρ·c·d·∆T [J/m2]

Q de hoeveelheid warmte die in de laag is geaccumuleerd [J/m2] ρ de massa 1.000[kg.m3]
c de soortelijke warmte water 4.186 [J/kg · K]
d de dikte van de laag 1,50 [m]
∆T de temperatuurstijging die de laag heeft ondergaan in [K]


Infrarood thermometers: deze meten de temperatuur van het oppervlak van een voorwerp door de straling te meten die het voorwerp in het infrarood gebied uitstraalt.


Alle oppervlaktes absorberen straling en zetten dat om in warmte. Witte oppervlaktes reflecteren zichtbaar licht, maar absorberen infrarood. Zwarte oppervlaktes absorberen zowel zichtbaar licht als infrarood. Glimmende oppervlaktes reflecteren zowel zichtbaar licht als infrarood.

Straling is de algemene naam voor electromagnetische energie die door de ruimte reist. Dat gaat erg snel (10 x rond de aarde in 1 seconde). Straling kan ook door vacuum reizen. Straling heeft geen materiaal nodig om zich te verplaatsen. Straling heeft veel verschijningvormen, inclusief zichtbaar licht, infrarood (IR), ultraviolet (UV), röntgen, microgolven en radiogolven. Al deze verschijnvingsvormen zijn dezelfde soort van energie, alleen met verschillende frequenties en hoeveelheden energie. Verschillende frequenties van straling reageren anders met materie, waardoor het lijkt alsof ze anders zijn dan het in werkelijkheid is.

Straling is geen warmte. Straling en warmte zijn twee verschillende vormen van energie. Maar ze worden vaak omgezet in de ander in het dagelijkse leven. Thermische energie wordt vaak omgezet in straling, meestal in infrarood (IR) en zichtbaar licht. Alle materialen die warmer zijn dan het absolute nulpunt (-273 °C) geven straling af;- dit van wege het feit dat atomen vibreren. De hoeveelheid straling is een 4-de macht functie van de temperatuur (T4), gemten t.o.v het absolute nulpunt. Dus, hoe warmer het object, hoe meer straling het uizendt.
Humsterland Energie

De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van 5800 K en een straal van 6,96·108 m.

Het vermogen van de zon is :
3,91 x 1026 W

Dat is 1 miljard x 100 miljard olietankers per uur aan energie


Stefan-Boltzmann
Pbron = σAT4
Pbron = vermogen (W)
σ = 5,670373·10-8 Wm-2K-4
A = oppervlakte (m2)
T = temperatuur (K)

Stacks Image 255164