Svetloba in barve – 5. del. Varčna svetila

V prispevku Svetloba in barve – 4. del smo ugotovili, da klasične žarnice na žarilno nitko ne morejo biti varčne. V zadnjih 20 letih so jih začele izpodrivati fluorescentne sijalke in svetila na svetleče diode ali LED (Light Emitted Diodes).

Princip oddajanja svetlobe je pri obeh svetilih enak: vzburjeni elektroni spontano padajo v nižja energijska stanja in oddajajo svetlobne delce – fotone. Spremembo energije elektrona in frekvenco izsevane svetlobe povezuje enačba:

\Delta W=h\,\nu

kjer je:

  • ΔW: energijska razlika med dvema stanjema elektrona
  • h: Planckova konstanta
  • ν: frekvenca izsevane svetlobe

Fluorescentna sijalka in LED sijalka se razlikujeta po načinu vzburjanja elektronov:

  • Fluorescentne sijalke  so običajno napolnjene z živosrebrno paro, ki je pod nizkim tlakom. Če teče skozi paro tok, oddaja visoko energijsko UV sevanje, ki pa ga ne vidimo. Šele ko UV žarki zadenejo fluorescentni premaz snovi, se elektroni v snovi vzburijo in med padanjem na nižji energijski nivo oddajajo svetlobo. Od premaza cevi zavisi barva svetlobe.
  • Pri LED med rekombinacijo elektronov in vrzeli v PN  spoju padajo elektroni na nižji energijski nivo in oddajajo delce svetlobe – fotone. Pojavu pravimo elektroluminiscenca.

Uporaba visoko svetlečih LED diod, ki oddajajo svetlo modro ali belo svetlobo,  temelji na izumu treh japonskih fizikov sredi 90 let prejšnjega stoletja (Isamu Akasaki, Hirosi Amano, Suji Nakamura – Nobelovi nagrajenci za fiziko leta 1914). Tudi pri svetlečih diodah je barva sevanja odvisna od snovi, iz katerih je dioda. Za diode svetlo modre in bele svetlobe se uporablja galijev nitrit (GaN) in indij – galij nitrit (InGaN).

V nadaljevanju so opisane karakteristike, na katere moramo biti pozorni pri nakupu varčnih svetil.

Moč

Moč P ali priključna moč v wattih (vatih) [W] nam pove, koliko bo žarnica obremenila omrežje. S pomočjo tega podatka lahko izračunamo npr. tok skozi žarnico in to kasneje upoštevamo pri izbiri varovalk:

I=\frac{P\,[\text{W}]}{U\,[\text{V}]}

Če je žarnica narejena za 220 V omrežje, vzamemo U=220 V.

Svetilnost

Pri sevanju uporabimo namesto moč P raje izraz energijski tok, saj je moč energija deljeno s časom:

P=\frac{W}{t}

kjer je W energija sevanja [Ws=J – joule]

Skoraj celotni energijski tok žarnice gre v sevanje svetloba. Pri klasičnih žarnicah je le manjši del sevane svetlobe vidna svetloba, prevladujejo infrardeči (toplotni) žarki.

Žarnica lahko seva v vse smeri ali pa samo pod določenim kotom. Uporablja se prostorski kot Ω. Enota za prostorski kot je steradian, okrajšano ster.

steradian
Površina na krogli, ki jo osvetli svetilo v središču krogle pri prostorskem kotu Ω je:

S=\Omega\,r^{2}

Če seva svetilo v vse smeri, je površina enaka površini krogle z radijem r:

S=4\,\pi\,r^{2}

Polni kot v steradianih je torej:

\Omega=4\,\pi\,[\text{ster}]

En steradian pa je prostorski kot, ki da na krogli z radijem 1 na plašču krogle projekcijo površine 1 m².

Če je prostorski kot manjši, svetilo izseva več svetlobe samo v določeno smer. Pravimo, da se svetilnost v to smer poveča. Svetilnost ima oznako I in enoto W/ster:

I=\frac{P}{\Omega}\,[\text{W/ster}]

Običajno nas ne zanima celotna izsevana moč, pač pa samo moč vidne svetlobe. Upoštevati moramo tudi različno občutljivost očesa za različne barve. To je razlog, da v praksi raje kot watt uporabljamo fiziološko enoto lumen, skrajšano lm, svetilnost pa je:

I=\frac{P}{\Omega}\,[\text{lm/ster}]

Enota za svetilnost lm/ster se imenuje candela – krajšano cd. To je ena od osnovnih enot v Mednarodnem sistemu enot – SI.

V praksi se uporablja še gostota svetlobnega toka j:

j=\frac{P}{S}=\frac{P}{\Omega\,r^{2}}=\frac{I}{r^{2}}\,[\text{lm/m}^{2}]

To je mera za osvetljenost. Dobljena enota lm/m² se imenuje lux, skrajšano lx.

Povprečne vrednosti osvetljenosti so:

  • hodniki, skladišča 50 lx
  • predavalnice, pisarne, čitalnice 300 do 500 lx
  • laboratorij 750 lx
  • operacijske dvorane, fina mehanika >2000 lx

Koliko lumnov nam da svetilo z določeno močjo, je odvisno od samega svetila. Za približno 60 do 150 lumnov potrebujemo:

  • klasična žarnica: 8 do 10 W
  • fluorescentne sijalke 6 W
  • LED sijalke 1 W.

Ekvivalentna barvna temperatura

Spomnimo se na sevanje črnega telesa – glej Svetloba in barve 3. del. Pri nižjih temperaturah črnega telesa so poudarjeni rdeči odtenki sevanja, pri temperaturi Sonca dobimo belo svetlobo, pri višjih temperaturah je svetloba modra, vijolična in nevidna ultravijolična.

Pri sijalkah, ki jih dejansko ne segrevamo na visoke temperature, pa lahko govorimo le o ekvivalentni barvni temperaturi. Ekvivalentna barvna temperatura je temperatura črnega telesa, ki bi seval približno enako barvo svetlobe kot opazovano svetilo.

Na sijalkah so običajno naslednje oznake za barvo:

  • Topla bela – Svetilka ima barvno temperaturo okoli 2800 K in je po barvi svetlobe podobna klasični žarnici. Ima nižjo svetilnost. Primerna je za dnevne prostore.
  • Nevtralna bela – Svetilke imajo barvno temperaturo okoli 4000 K. Primerne so za delovne prostore.
  • Hladno bela – Svetilke imajo barvno temperaturo okoli 6000 K. Barva je rahlo modrikasta. Sijalke pri tej barvni temperaturi imajo najvišjo svetilnost.

Slika spodaj kaže, kakšne barve sevajo svetila na različnih temperaturah.

barvna temperatura

Primerjamo lahko fotografiji, posneti  s svetlobo fluorestentne  sijalke 4000 K – slika spodaj levo in z LED sijalko 2800 K – slika spodaj desno. Ozadje risbe je v obeh primerih belo. Pri desni sliki opažamo močno poudarjeno rumeno barvo.

vzorca-4000K-2800K

 

Indeks prikaza barv

Spekter varčnih sijalk ni zvezen, kar sicer velja za spekter, ki ga seva črno telo. Diskretne komponente v spektru svetlobe pomenijo veliko sevalno moč v ozkih frekvenčnih pasovih, kar deluje moteče.

Dve žarnici, ki oddajata na prvi pogled enako svetlobo, lahko različno obremenjujeta oko. Učinek se lahko zazna šele po daljši uporabi svetila. Če je spekter svetlobe zvezen, podoben spektru sonca, je svetloba mehka in stimulativna. Svetloba mnogih varčnih žarnic je ostra, obremenjujoča in lahko povzroči tudi glavobol. Analiza spektra žarnice in njegova primerjava s spektrom sončne svetlobe je zato bistvena pri izbiri svetila, saj omogoča vrednotenje kakovosti svetila. 

Diskretne komponente v sevalnem spektru imajo podoben moteči učinek kot diskretne frekvence (toni) ob belem Gaussovem šumu.

Primer spektra svetlobe, ki ga seva varčna sijalka (zelena barva), v primerjavi z zveznim spektrom dnevne svetlobe (črna barva), kaže spodnja slika.

spekter-svetil1
Odstopanje spektra sijalke od spektra sevanja črnega telesa določa indeks prikaza barv CRI (Color Rendering Index – CRI). CRI je vpeljala CIE (International Commission on Illumination), Pove nam, kako blizu je svetilo zveznemu spektru naravne svetlobe, torej kako prijetno je za oko.
CRI se določa na osnovi meritev spektra pri osmih valovnih dolžinah sijalke, ki jo želimo preizkusiti. Testne vzorce primerjamo s spektrom črnega telesa pri isti barvni temperaturi in opazovani barvi (valovni dolžini). Ugotovimo odstopanje ΔEi. Za vsak vzorec izračunamo indeks:

R_{i}=100-4,6\,\Delta E_{i}

ter ga povprečimo preko osmih vzorcev. Na ta način dobimo CRI.

Fluorescenčne žarnice imajo tipičen CRI med 55 in 85, pri čemer smatrajo, da so žarnice s CRI 80 do 85 že zelo dobre. Črno telo ima CRI 100, monokromatski laserski žarek pa 0.

Sijalke imajo pogosto izpisano komercialno oznako, ki nam približno pove njen indeks prikaza barv (CRI ali Ra). LED sijalke imajo Ra >80, fluorescentne sijalke pa >90.

Svetila s celotnim spektrom

Idealno svetlobo za nadomeščanje in dopolnitev dnevne svetlobe bi dalo črno telo, segreto na okoli 5400 K. Podobno kot Sonce bi imela ta svetloba zvezni spekter z vrhom na področju vidne svetlobe. Na človeka bi delovala stimulativno, omogočila bi zdravo življenje in ustvarjalno delo.

Namesto črnega telesa bi lahko v isti namen uporabili tudi fluorescentne sijalke, v kateri pa bi morala biti mešanica fluorescentne prevleke skrbno izbrana tako, da bi sevala praktično vse frekvence na področju vidne, infra in delno UV svetlobe. Taka sijalka ima različne oznake: sijalka s celotnim (polnim) spektrom (Full Spectrum Light), sijalka s pravo svetlobo (True Light), sijalka z življenjsko svetlobo (Vita Light). Omogoča stimulativno počutje za ustvarjalno delo. Uporablja se kot nadomestek ali dopolnilo dnevni svetlobi.

Kakšne so njene lastnosti:

  • njena barvna temperatura mora biti čim bližja 5500K
  • imeti mora CRI96
  • spekter mora biti čim bolj zvezen
  • imeti mora zdravi nivo UV sevanja

Sijalko s polnim spektrom dnevne svetlobe lahko uporabljamo tudi v medicinske namene zlasti za zdravljenje depresije, ki je posledice pomanjkanja dnevne svetlobe (npr. pomanjkanje svetlobe v polarnih krajih, podzemnih bunkerjih itd.) V prostoru s temi sijalkami uspevajo tudi zelene rastline, saj omogoča fotosintezo.

Svetloba in barve – 4 del. Sevanje črnega telesa

Črno telo, segreto na temperaturo T, seva elektromagnetno valovanje z zveznim spektrom. Izračunamo ga po Planckovi enačbi:

I(\nu \,T)d\nu=(\frac{2\,h\,\nu^{3}}{c^{2}})\frac{1}{e^{\frac{h\,\nu}{kT}}-1}d\nu

Tu je:

  • I(\nu \,T)d\nu

sevalna energija na enoto površine, na enoto časa in na enoto zornega kota, sevana v frekvenčnem pasu med \nu\,\text{in}\,\nu+\Delta\nu pri temperaturi T.

  • \nu je frekvenca elektromagnetnega valovanja
  • h je Planckova konstanta

h=6,62\cdot 10^{-34}\,\text{J s}

  • c je hitrost svetlobe v vakuumu

c=3\cdot 10^{8}\,\text{m/ s}

  • k je Bolzmanova konstanta

k=1,38\cdot 10^{-23}\,\text{J/ K}

  • T je absolutna temperatura v [K]

Primeri sevalnega spektra pri štirih temperaturah:

BBR3a

 

Maksimum sevalnega spektra je pri frekvencah vidne svetlobe, če je sevalna temperatura črnega telesa 5600 K. To pa je tudi sevalna temperatura sonca.

Približne barvne temperature svetlobe podaja tabela:

sveča                                                            1800 K

žarnica na volframovo nitko                          3000 K

sončna svetloba                                            5500 K

Pri fluorescenčnih in LED svetilih lahko govorimo le o ekvivalentni barvni temperaturi, saj ta svetila ne sevajo kot črna telesa. Ekvivalentna temperatura nam pove, kakšne barve bi bila svetloba, če bi svetilo sevalo kot črno telo.

Delež vidne svetlobe v sevalnem spektru

Delež vidne svetlobe v sevalnem spektru je odvisen od temperature T. Za različne T ga izračunamo ga po enačbi:

\eta=\frac{\int_{\nu_{1}}^{\nu_{2}}I(\nu)\,d\nu}{\int_{0}^{\infty}I(\nu)\,d\nu}\cdot 100\%

V števcu integriramo v frekvenčnih mejah vidne svetobe (100 THz do 789 THz) v imenovalcu pa preko celotnega spektra. Dobimo naslednje rezultate za η:

  • sveča: 1800 K, delež vidne svetlobe: 0,6%
  • žarnica na žarilno nitko: 2800 K, delež vidne svetlobe: 8,3%
  • sonce: 5600 K, delež vidne svetlobe: 43%
  • 9255 K, delež vidne svetlobe: 48%

Izkoristek sevanja vidnega dela spektra se veča tudi pri temperaturah, višjih od 5600K, kjer je vrh spektra na področju vidne svetlobe. Zastopanost infrardečih žarkov v spektru svetlobe se namreč nižja bolj, kot pada moč na področju vidne svetlobe

Pri nižjih temperaturah ima spekter svetil poudarjen rdeči del spektra, pri višjih pa modri del spektra.

Izkoristek žarnice na volframovo nitko bi teoretično lahko povečali z večanjem temperature. Tudi sevalni spekter bi se tako bližal spektru dnevne svetlobe. Omejitev predstavlja tališče volframa (3295 K). Pomagamo si lahko z žarnicami na plazmo (npr. obločne žarnice, ki so jih včasih uporabljali pri filmskih projektorjih).

Svetloba in barve -3. del. Barvi prostori.

Tribarvni sistem, podoben kot ga ima človeško oko, uporabljamo za prikaz barv na televizijskih in računalniških zaslonih in barvnih tiskalnikih.

CIE 1931 XYZ barvni prostor

Frekvenčne karakteristike treh vrst čepkov na mrežnici očesa se lahko od človeka do človeka nekoliko razlikujejo. Vsak nekoliko drugače dojema barve. Da bi se izognili tem razlikam, je CIE (International Commission on Illumination) že leta 1931 definiral barvni prostor na osnovi matematično določenega barvnega modela. Imenuje se CIE 1931 XYZ barvni prostor. Je eden izmed mnogih možnih barvnih prostorov.

Ostrina vida in barvni vtis sta prvenstveno omejena na ozek zorni kot opazovanja. Večina čepkov je namreč v rumeni pegi, to je vdolbini nasproti leče, ki je razmeroma majhna. Za opazovalca barv je zato določen zorni kot opazovanja samo dve stopinji.

To je CIE 1931  XYZ standardni opazovalec z zornim kotom 2 stopinji.

Namesto S, M, L funkcij uporabimo matematično določene funkcije:

\bar{x}(\lambda),\;\bar{y}(\lambda),\;\bar{z}(\lambda)

Podane so z grafom:

sl04

V kolikor pade na mrežnico svetloba s spektralno razdelitvijo moči:

I(\lambda)

dobimo s stališča standardnega opazovalce naslednje odzive:

X=\int_{0}^{+\infty}I(\lambda)\,\bar{x}(\lambda)\,d\lambda

Y=\int_{0}^{+\infty}I(\lambda)\,\bar{y}(\lambda)\,d\lambda

Z=\int_{0}^{+\infty}I(\lambda)\,\bar{z}(\lambda)\,d\lambda

Če bi hoteli prikazati vse barve, bi morali uporabiti prostorsko, tridimenzionalno sliko. Primernejša je dvodimenzionalna predstavitev barv, ki jo dobimo z naslednjo transformacijo:

x=\frac{X}{X+Y+Z}

y=\frac{Y}{X+Y+Z}

z=\frac{Z}{X+Y+Z}=1-x-y

Parameter Y je mera za svetlost (bela barva je npr. svetlejša od sive in siva je svetlejša od črne). Dobimo CIE xyY barvni prostor.

CIE_1

Na zunanjem loku CIE xyY barvnega prostora so monokromatske barve, podane z valovno dolžino, znotraj so barve, ki jih dobimo z aditivnim mešanjem.

RGB barvni prostor

Če izberemo dve točki na barvnem diagramu in ju povežemo s premico, je barva poljubne točke na premici enaka primerno uravnoteženi vsoti barv obeh izbranih točk. Isto velja, če izberemo tri točke v barvnem prostoru. Vse ostale barve znotraj trikotnika, lahko dobimo z ustrezno kombinacijo barv in svetlosti treh ogliščih barvnih točk. Barve ogliščih barvnih točk zato imenujemo primarne barve.

Na opisan način lahko dobimo različne barvne prostore, prilagojene različnim uporabam. Primeri različnih RGB (Red – rdeč, Green – zelen, Blue – moder) barvnih prostorov z označenimi osnovnimi barvami so na spodnjih slikah.

RGB2

Barvni prostori na sliki:

  • CIE RGB barvni prostor z označenimi osnovnimi barvami. Osnovne barve so monokromatske, E je bela barva.
  • Adobe RGB barvni prostor. Osnovne barve niso monokromatske. Odlikuje ga širok razpon barv.
  • sRGB sta leta 1996 razvila Hewlett Packard in Microsoft. Namenjen je monitorjem, Internetu in barvnim tiskalnikom.

 

Svetloba in barve -2. del. Kako zaznamo barve?

Na očesni mrežnici so celice, imenovane paličnice. To so svetlobni sprejemniki, ki lahko zaznavajo zelo slabotno svetlobo in jo prikažejo kot svetlo – temno sliko. Pri nočnem gledanju je oko najbolj občutljivo za svetlobo valovne dolžine okoli 550nm. Pri tej svetlobi zazna oko še svetlobni tok gostote približno:

I=10^{-12}\,\text{W/m}^{2}

Zanimivo je, da je največja občutljivost očesa za svetlobo primerljiva z največjo občutljivostjo ušesa za zvok frekvence 1000 Hz.

Na mrežnici pa so tudi barvno občutljive celice, imenovane čepnice. Rumena pega, to je vdolbina v mrežnici nasproti leče, vsebuje številne čepnice. Pri človeku omogočajo barvni vid. Človeško oko lahko zaznava barve samo v primeru dovolj močne svetlobe. Največja občutljivost očesa je pri rumeno zeleni svetlobi valovne dolžine 555 nm. Čepnice imajo tri vrste pigmentov, ki so “uglašeni” na tri valovne dolžine. Vrhovi občutljivosti posameznih vrst čepkov so na 420 – 440nm (S – short, kratek), 530 -540nm (M – middle, srednji) ter 560 – 580nm) (L – long, dolg).

To je tribarvni (trikromatski) sistem gledanja. Značilen je za nekatere primate in človeka. Mnogo drugih primatov in sesalcev je dvobarvnih (dikromatskih) z zelo omejeno barvno zaznavo ali brez barvne zaznave. Druge živali (tropske ribe, ptice) imajo celo štiribarvno gledanje, saj živijo v barvno intenzivnem okolju, kjer je natančno razlikovanje barv nujno za preživetje.

Normalizirano občutljivost posameznih čepkov za valovno dolžino svetlobe, podaja spodnja slika.

SML2

 

Vzemimo, da na oko pada svetloba s spektralno gostoto:

I(\lambda)

Odzivi čepkov očesa so:

X=\int_{-\infty}^{+\infty}I(\lambda)\,S(\lambda)\,d\lambda

Y=\int_{-\infty}^{+\infty}I(\lambda)\,M(\lambda)\,d\lambda

Z=\int_{-\infty}^{+\infty}I(\lambda)\,L(\lambda)\,d\lambda

Barvi vtis da vsota vse treh vrednosti odzivov  X+Y+Z. To imenujemo tribarvni aditivni model zaznave barv. Primati, ki ga uporabljajo, so trikromati. Kumulativno občutljivost človeškega očesa na monokromatske barve kaže spodnja slik.

občutljivost_na_barve2

Isti barvni vtis lahko dobimo z mešanjem svetlobe različnih valovnih dolžin. Ta pojav se imenuje metamerizem. Metamerizem nastane zato, ker se vsak tip čepkov odziva na kumulativno svetlobno energijo v pasu, ki ga pokriva. Različne kombinacije svetlobe vseh možnih valovnih dolžin lahko povzročijo enak odziv in enako zaznavo barve.

Vtis bele svetlobe dobimo, če je pada v oko zvezni spekter naravne svetlobe sonca ali diskreten spekter fluorescenčnega svetila. Pogoj je le, da sta odziva X+Y+Z v obeh primerih enaka.

Zakaj pa je potem umetna svetloba večine varčnih žarnic večkrat neprijetna, “bode v oko”, čeprav jo oko zazna kot belo svetlobo?

Za isto sevalno energijo je sevalna moč odvisna od pasovne širine svetlobe – manjša pasovna širina (diskretna svetloba ene same frekvence) pomeni večjo moč. Večja moč pomeni večjo obremenitev tipal (čepnic) v mrežnici, vidnih živcev ter receptorjev svetlobe v možganih.

 

Svetloba in barve -1. del. Kaj je svetloba?

Kaj je svetloba? Kako dojemamo in ustvarjamo barve? Kaj je črno telo in kako seva? Kaj so svetila (naravna in umetna). Kaj so varčne žarnice in kako jih izbiramo?

Kaj je svetloba?

Svetloba je elektromagnetno valovanje.

Svetlobo določa:

  • Svetlobni tok ali svetlobna moč in gostota svetlobnega toka
  • Frekvenca (za enobarvno svetlobo) ali frekvenčni spekter (večbarvna svetloba)

Frekvenca in valovna dolžina sta med sabo povezani z enačbo:

\nu=\frac{c}{\lambda}

kjer je:

  • frekvenca

\nu\,[\text{Hz=s}^{-1}]; \text{      1 THz=10}^{12}\,\text {Hz}.

  • valovna dolžina

\lambda\,\text{[m]}; \text{      1nm=10}^{-9}\,\text{m}

  • c je hitrost svetlobe

c=2,9979\,10^{8}\,\text{m/s}

Hitrost svetlobe je odvisna od sredstva (zrak, voda, steklo itd). Kolikokrat hitreje potuje svetloba v vakuumu kot v sredstvu nam pove lomni količnik sredstva n. Voda ima npr. lomni količnik n=1,33, steklo n = 1,51, lomni količnik zraka je približno 1.

Svetloba, ki jo zaznava človeško oko ima v vakuumu (ali zraku) valovno dolžino med 380 nm (vijolična svetloba) in 750nm (rdeča svetloba). To ustreza frekvenčnemu pasu 400 THz do 789 THz.

Frekvenčni pas vidne svetloba je torej manjši od oktave. (Za primerjavo: zvok, ki ga slišimo ima frekvenčni obseg približno devet oktav (oktava je dvakratna frekvenca).

Svetloba je lahko enobarvna (monokromatska, svetloba z eno samo valovno dolžine) ali večbarvna (multikromatska). Primer enobarvne svetlobe je svetloba, ki jo oddaja laser.

Multikromatski spekter sevane svetlobe je lahko diskreten (svetilo seva več posameznih frekvenc) ali pa zvezen (svetilo seva vse frekvence oz. valovne dolžine v opazovanem frekvenčnem pasu). Sonce, žarnica na volframovo nitko, sveča, itd (poljubno črno telo) seva svetlobo z zveznim spektrom; fluorescenčna in svetila in svetleče diode (LED) pa večinoma diskretni spekter.

Sonce kot izvir svetlobe

Najpomembnejši izvor svetlobe je sonce. Na sončno svetlobo se je prilagodilo večina živih bitij na planetu Zemlja. Svetlobe ne potrebujemo samo za vid. V organizmu sproži niz procesov, ki omogočajo ugodno psihično in fizično počutje, zbranost in ustvarjalnost. Vsakdo lahko potrdi, da se v svetlem poletnem dnevu mnogo bolje počuti kot v jesenski sivini. Pomanjkanje sončne svetlobe lahko vodi v manjšo koncentracijo, nesposobnost psihičnih aktivnosti in v depresijo. Tudi, ko si pomagamo z umetnim svetilom kot nadomestkom naravne svetlobe, naj bo ta svetloba čim bolj podobna sončni svetlobi.

Druge vrste je ambientna svetloba, ki ustvarja določeno vzdušje ob počitku in zabavi.

Spekter bele dnevne svetlobe je zvezen, frekvenčni pas je med 400 in 789 THz. Uravnoteženo vsoto vseh barvnih komponent (frekvenc, valovnih dolžin), ki jih oddaja sonce, prepozna oko kot belo svetlobo.

opticna_prizma-1

 

Barvni spekter sončne svetlobe lahko razčlenimo s pomočjo optične prizme. Bela svetloba vstopa v optično prizmo in se lomi na meji zrak steklo in steklo zrak kot kaže slika. Lomni količnik stekla je odvisen od barve (valovne dolžine) svetlobe. Žarek izstopa iz prizme pod različnimi koti, odvisno od barve.

V izstopajočemu žarku niso zajete vse barve, ki jih zaznava človeško oko. Oko namreč zaznava tudi vsoto dveh ali več žarkov različnih valovnih dolžin kot novo barvo.

Na spodnji sliki so barvam dodani podatki o valovnih dolžinah:

soncni_spekter2

Spekter, ki ga seva sonce (seva zunanji sloj sonca, imenovan fotosfera) je približno enak spektru, ki ga seva črno telo na temperaturi 5500 K. Oblika spektra sončne svetlobe je zelo dobro prilagojena spektralni občutljivosti človeškega očesa, saj je vrh spektra ravno na področju valovnih dolžin vidne svetlobe. Desni del spektra je nevidna svetloba: infrardeče sevanje (IR), to je toplotno sevanje, levi del pa ultravijolično sevanje.

 

spekter-sonca2

 

Vidimo, da le del celotnega spektra sonca predstavlja vidna svetloba. Kasneje bomo izračunali, da predstavlja vidna svetloba 43% spektra, ki ga oddaja sonce. Ta odstotek se manjša, če je sevalna temperatura črnega telesa nižja od 5500 K. Videli bomo, da je v primeru sevanja volframove nitke v klasični žarnici (2800 K), delež vidne svetlobe le približno 8%. Večina energije klasične žarnice gre v toploto.
 
 

Kondenzacija vlage v kletnih prostorih

V kletnem prostoru večstanovanjskega objekta je problem mokre zunanje stene. Kriva je lahko slaba ali poškodovana vodna izolacija temeljev, okvarjene vodne inštalacije ali kondenz vlage na mrzli zunanji steni. S preprosto meritvijo in izračunom bomo preverili slednjo možnost.

Kaj je vlaga?

Vlaga v prostoru je posledica izhlapevanja vode. Koliko vode lahko izhlapi, je odvisno od temperature prostora. Čim višja je temperatura, več vode lahko izhlapi. Voda izhlapeva vse dokler se ne vzpostavi ravnovesje. To pomeni, da je v določenem opazovanem času število molekul vode, ki zapustijo vodo, enako številu molekul vode, ki se zaradi zadostne kinetične energije vanjo vrača. Mejno vlago v prostoru, ki je pri določeni temperaturi ne moremo preseči, imenujemo nasičeno vlago. Podali jo bi lahko na več načinov, npr. z gostoto vodne pare v zraku ali pa z prispevkom tlaka p vodne pare k celotnemu zračnemu tlaku. Ta prispevek imenujemo delni tlak vodne pare, in je zajet z Daltonovim zakonom: tlak plina je enak vsoti delnih tlakov elementov, iz katerih je sestavljen plin.

Relativna vlažnost \eta pomeni, kolikšen je delež dejanske vlage v prostoru, glede na nasičeno vlago. Relativno vlažnost lahko merimo z merilnikom vlage.

\eta=\frac{p}{p_{n}}

Meritve

V prostoru izmerimo notranjo temperaturo zraka, relativno vlažnost zraka in temperaturo zunanje stene. Meritve so bile izvedene v jeseni v času večtedenskega suhega in toplega vremena, po začetku ogrevalne sezone in v času, ko so popoldanske zunanje temperature presegale \text{20}^{\circ}\,C.

Rezultati meritve:

T_{n}=\text{24}^{\circ}\,C

\eta=\text{60}\,\%=0{,}6

T_{s}=\text{16}^{\circ}\,C

Zunanja stena je izrazito hladna v primerjavi s temperaturo zraka v prostoru.

Izračun

Tlak nasičene vodne pare v odvisnosti od temperature računamo s pomočjo Arden Buckove empirične enačbe:

p_{n}=0{,}61121\cdot \,e^{(18,678-\frac{T}{234,5})(\frac{T}{257,14+T})}

vstavljamo v ^{\circ}\,C, rezultat za tlak dobimo v kPa.

Pri temperaturi \text{24}^{\circ}\,C izračunamo tlak nasičene vodne pare:

p_{n}=\text{3,16 kPa}

Iz enačbe (1) izračunamo dejanski delni tlak vodne pare v prostoru:

p=\eta \cdot\,p_{n}=0{,}6\cdot \,\text{3,16 kPa}=\text{1,9 kPa}

Izračunamo še nasičen parni tlak pri temperaturi stene (\text{16}^{\circ}\,C):

p_{n1}=\text{1,82 kPa}

Vidimo, da je dejanski delni tlak vodne pare v prostoru višji, kot je nasičen parni tlak na temperaturi stene. Vlaga se bo na steni kondenzirala. Stena bo mokra.

Andrej Lavrič

 

 

 

 

Varčno ogrevanje 7. del

 

Toplotna povezanost stanovalcev 2.del

Objavljeno: 02. 02. 2014
Andrej Lavrič

Pretirano energetsko varčenja posameznih stanovalcev v stanovanskem bloku, kjer so stanovanja med seboj toplotno povezana, ne pomeni prihranka za celoten blok, prej obratno.  Kaj pomenijo prazna in neogrevana stanovanja med ogrevanimi stanovanji kaže naslednji zgled.

Varčno ogrevanje 6. del

Toplotna povezanost stanovalcev v večstanovanjskem objektu 1.del

Objavljeno: 29. 08. 2013
Andrej Lavrič

Energetska bilanca posameznega stanovanja v večstanovanjskih objektih je močno odvisna od lege stanovanja v zgradbi, površine zunanje stene, temperature skupnega stopnišča in temperature v sosednih stanovanjih. Opazovana poraba toplote na kvadratni meter stanovanjske površine se lahko močno razlikuje od porabe sostanovalcev pri istih pogojih.

Podan in izračunan je primer, ko je potrebno zaradi ugodne lege le minimalno dogrevanje stanovanja, da bi dosegli normalno bivalno temperaturo. Vačina toplote prihaja v opazovano stanovanje iz sosednih stanovanj in prostorov.

Varčno ogrevanje 5.del

Energetsko varčno zračenje prostorov

Objavljeno: 29. 07. 2013
Andrej Lavrič

S pomočjo znanja srednješolske fizike bomo poskusili na poljuden način odgovoriti na naslednja vprašanja:

Varčno ogrevanje 4. del

 Toplotna sanacija stanovanjskega objekta

Objavljeno: 23. 07. 2013
Andrej Lavrič

Kot zgled vzemimo vzorčni večstanovanjski objekt, zgrajen pred približno 40 leti, za katerega obstajajo podatki o toplotnih prevodnosti sten. Toplotni standardi, ki so takrat veljali, so bili nizki in temu primerne so bile toplotne izgube. Sanacije se lotimo postopno, saj navadno ni dovolj denarja za vse naenkrat. Ko se odločamo o prioriteti, želimo vedeti, koliko nam bo določen poseg zmanjšal toplotne izgube; torej cena – prihranek ali  izračun časa, da se investicija povrne. Na koncu bomo presenečeni nad rezultati in prihranti pri letni porabi energije.

Pri vseh prispevkih “Varčno ogrevanje” uporabljamo srednješolsko znanje fizike.