Wat is het verband tussen straling, convectie en geleiding?
Straling, convectie en geleiding zijn drie verschillende manieren waarop warmte kan worden overgedragen. Convectie en geleiding vereisen materie om warmte over te dragen. Straling brengt warmte door de ruimte in de vorm van energie, als golven. Hoewel deze drie methoden van warmteoverdracht verschillende principes met zich meebrengen, kunnen ze allemaal worden begrepen op basis van de fysica van warmte of thermische energie.
Materie bestaat uit deeltjes, die op elkaar inwerken om thermische energie over te dragen. Wanneer een materiaal met een hogere temperatuur in contact komt met een materiaal met lagere temperatuur, stroomt warmte van het heter naar het koudere materiaal. Dit proces gaat door totdat de twee materialen dezelfde temperatuur hebben en een thermisch evenwicht hebben bereikt.
In geleiding komt een heter stuk materie in contact met een kouder stuk materie en stroomt warmte van het heter naar het koudere gebied. De warmte wordt geleid omdat snel bewegende deeltjes van de hetere materie energie overdragen naar de koudere, langzamer bewegende moleculen van de koudere materie. Het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden hangt af van zijn moleculaire structuur en consistentie. Metalen zijn bijvoorbeeld betere warmtegeleiders dan hout en vaste stoffen zijn betere warmtegeleiders dan vloeistoffen.
Convectie brengt warmte over op basis van een ander principe van deeltjesbeweging. Wanneer deeltjes een grote hoeveelheid thermische energie bezitten, zorgt deze energie ervoor dat ze sneller bewegen en zich verspreiden, waardoor het materiaal minder dicht wordt. Deeltjes in een kouder gebied hebben minder energie en bewegen langzaam, wat leidt tot een grotere dichtheid. In vloeistoffen en gassen resulteert dit principe in koudere gebieden van het materiaal die naar de bodem zinken, terwijl warmere gebieden naar boven stijgen.
Een stroom wordt gevormd door de circulatie van vloeistof of gas in dit patroon. Dit wordt een convectiestroom genoemd. In de atmosfeer zinkt bijvoorbeeld koude lucht terwijl warme lucht stijgt, waardoor circulatie ontstaat.
De derde methode van warmteoverdracht, straling, maakt niet uit en is niet afhankelijk van de interactie van deeltjes. Een voorbeeld is zonnestraling. Warmte van de zon bereikt de aarde ondanks het reizen door het vacuüm van de ruimte. In het geval van straling bestaat thermische energie in de vorm van golven. Het is een soort elektromagnetische straling, zoals zichtbaar licht.
Atomen absorberen de stralingsenergie via hun elektronen, die de energie gebruiken om naar een hoger niveau in het atoom te gaan. Deze energie kan opnieuw worden uitgezonden wanneer het elektron naar zijn oorspronkelijke niveau daalt. De temperatuur van een object in aanwezigheid van straling hangt af van hoeveel energie het absorbeert versus hoeveel het uitzendt, dus een object dat meer energie absorbeert dan het uitzendt, zal in temperatuur stijgen.