Warum verliert Wärme ihre Energie, je weiter wir uns entfernen?

Jetzt frage ich mich, warum die Wärme verloren geht, als würde sie leicht reisen.

Es ist nicht verloren. Es breitet sich weiter aus.

Wenn Sie so nah an der Wärmequelle stehen, von der Sie getroffen werden, sagen wir, 1/10 ihrer Strahlung (1/10 aller ausgesendeten Photonen treffen Sie), dann werden Sie, wenn Sie weiter entfernt stehen, vielleicht nur von 1/100 getroffen.

Die Wärmestrahlung, die von der Quelle wie die Sonne gesendet wird, breitet sich mit der Entfernung aus. Die gleiche Energiemenge wird jede Sekunde auf eine immer größere Kugel verteilt, während sie sich von der Quelle wegbewegt.

Oberfläche einer solchen Kugel ist$A=4 \pi r^2$. Den Abstand zum Lagerfeuer verdoppeln bedeutet:

Schon bei der doppelten Entfernung ist die Fläche, auf die sich die Strahlung ausbreitet, viermal so groß.

Dies bezieht sich natürlich auf die Sonne, die nur von Raum umgeben ist. Da das Lagerfeuer auf dem Boden aufgestellt wird, ist die Abstrahlung nach unten in diesem Fall geringer.

Solarkonstante

Für Ihr Interesse wird die Intensität der Sonnen auf unserem Planeten Erde als Sonnenkonstante (oder Sonnenkoeffizient) bezeichnet.$S$. In Einheiten$\mathrm{W/m^2}$. Dieser sagt uns, wie viel Strahlung pro Sekunde einen Quadratmeter auf der Erde (oder einem anderen Planeten in gleicher Entfernung von der Sonne) erreicht. Merkur, der näher ist, wird eine andere Sonnenkonstante haben.

Um die Intensität der Sonne in jeder Entfernung zu finden, müssen Sie wissen, wie viel Energie pro Sekunde innerhalb der Sonne erzeugt wird, das ist die Kraft der Sonne$P$. Diese Energie wird beim Reisen verteilt:

wo beide Intensität$S$und Bereich$A$sind für eine bestimmte Sphäre in einer bestimmten Entfernung . Die eigene Intensität der Sonne an ihrer Oberfläche wird dann gefunden, indem man den eigenen Radius der Sonne einfügt und S isoliert.

Auch unsere Sonne kann als sogenannter schwarzer Körper betrachtet werden . Das heißt, es emittiert Strahlung sehr effizient. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz der Schwarzkörperstrahlung gibt uns dann die Emissionsleistung von der Sonnenoberfläche:

mit$T$die Oberflächentemperatur der Sonne (ca$5800^\mathrm{o C}$wenn ich mich richtig erinnere).

Lagerfeuer

In Bezug auf das Lagerfeuer, wie in den Kommentaren erwähnt, kann die Konvektion beträchtlich sein, wenn Sie sehr nahe am Lagerfeuer stehen oder vielleicht sogar darüber greifen.

Durch natürliche Konvektion strömt erwärmte Luft nach oben, die auf diese Weise viel Energie transportiert. Die Strahlung selbst ist an dieser Position vernachlässigbar.

Wenn Sie etwas weiter weggehen, wird der Konvektionseffekt möglicherweise vollständig beseitigt. Dies wird sich wie ein enormer Rückgang der Erwärmung anfühlen. Wenn Sie ein wenig windiges Wetter hinzufügen, spüren Sie möglicherweise keinen Wind, während Sie sich in der Konvektionszone in der Nähe des Lagerfeuers im "Gleichgewicht" befinden. Aber zwei Schritte entfernt zu gehen, kann jetzt einen großen Kühleffekt haben, da auch die erzwungene konvektive Kühlung durch den Wind wirkt.

Die Wärme strahlt von der Quelle gleichmäßig in alle Richtungen ab (bis sie auf etwas trifft). Stellen Sie sich die Sonne vor. Es ist ungefähr kugelförmig und strahlt Energie (manche als Wärme) in alle Richtungen aus. Die Energie wird in einer Kugel abgestrahlt. Wenn die Energie von der Quelle (der Sonne) wegwandert, dehnt sich die Kugel aus, aber die Energiemenge bleibt gleich. Wenn die Kugel doppelt so groß ist, ist die Oberfläche viermal so groß. Das bedeutet, dass für die gleiche Fläche nur ein Viertel der Energie zu spüren ist. Dies wird das Abstandsquadratgesetz genannt, weil für alle$n$Größe der Energiemenge in der gleichen Fläche zunimmt$1\over n^2$.

Genau die gleiche Regel gilt für Ihr Lagerfeuer. Wenn Sie also einen Meter entfernt sind, fühlt sich das Feuer 1/4 so heiß an wie in einem halben Meter Entfernung.

Die einfache Antwort ist das Abstandsquadratgesetz, das besagt, dass die Intensität (Leistung pro Flächeneinheit) einer Wärmequelle mit abfällt$1/r^2$Wo$r$ist die Entfernung (unter der Annahme einer Punktquelle).

Betrachten Sie Ihr Lagerfeuer: Stellen Sie sich Menschen vor, die nebeneinander um das Feuer stehen. Jeder erhält einen Teil der Wärme. Wenn sie den Kreis erweitern, können mehr Menschen etwas von der Wärme abbekommen – aber da keine zusätzliche Wärme erzeugt wird, wird jeder von ihnen etwas weniger abbekommen. In einer 2D-Situation (keine Wärmebewegung nach oben oder unten, nur seitwärts) würde dies bedeuten, dass Wärme mit dem Kehrwert der Entfernung abfällt (doppelt so weit = doppelt so viele Personen im Kreis). Für die Sonne usw. kann die Hitze jedoch nach oben, unten und seitwärts gehen - wenn Sie sich also ein "dreidimensionales Lagerfeuer" vorstellen, können Sie, wenn Sie den Radius um das 2-fache erhöhen, 4-mal mehr Menschen bekommen (Fläche ist Kugelschuppen mit Radius im Quadrat).

Die Wärme verteilt sich einfach und je weiter Sie von der Wärmequelle entfernt sind, desto mehr Platz muss die Wärme abgeben

Informell gesprochen wird Wärme durch den (durchschnittlichen) Impuls und die Dichte sich bewegender Teilchen bestimmt.

Wenn Partikel also langsamer werden, erhalten Sie weniger Wärme. Auch wenn weniger Partikel in einem festen Volumen vorhanden sind, ist es weniger heiß.

Anhand einer einfachen Geometrie können Sie nun leicht zeigen, dass das Weggehen von der Wärmequelle eine Abkühlung bedeutet.

Hoffentlich hilft das.