¿Por qué el calor pierde su energía a medida que nos alejamos?

Ahora me pregunto por qué el calor se pierde como si viajara ligeramente.

No se pierde. Se extiende más.

Si se para tan cerca de la fuente de calor que lo golpea, digamos que 1/10 de su radiación (1/10 de todos los fotones enviados lo golpean), entonces, cuando se para más lejos, tal vez solo lo golpee 1/100.

La radiación de calor enviada desde la fuente como el sol se esparce con la distancia. La misma cantidad de energía cada segundo se distribuye en una esfera cada vez más grande a medida que se aleja de la fuente.

El área de superficie de tal esfera es$A=4 \pi r^2$. Duplicar la distancia a la fogata significa:

El área sobre la que se propaga la radiación es cuatro veces más grande para solo el doble de distancia.

Esto, por supuesto, se refiere al sol con solo espacio rodeándolo. Dado que la fogata se coloca en el suelo, la radiación hacia abajo en ese caso será menor.

Constante solar

Para su interés, la intensidad de los Soles en nuestro planeta Tierra se denomina constante solar (o coeficiente solar)$S$. en unidades$\mathrm{W/m^2}$. Esto nos dice cuánta radiación llega a un metro cuadrado en la Tierra (o cualquier otro planeta a la misma distancia del Sol) cada segundo. Mercurio que está más cerca tendrá otra constante solar.

Para encontrar la intensidad de los soles a cualquier distancia, necesitarás saber cuánta energía se genera por segundo dentro del Sol, esa es la potencia del Sol.$P$. Esta energía se distribuirá durante el viaje:

donde tanto la intensidad$S$y área$A$son para una esfera específica a una distancia específica . La propia intensidad de los soles en su superficie se encuentra luego insertando el propio radio de los soles y aislando S.

Además, nuestro Sol puede verse como un llamado cuerpo negro . Es decir, emite radiación de manera muy eficiente. La ley de Stefan-Boltzmann de la radiación del cuerpo negro nos da el poder emisivo de la superficie del Sol:

con$T$siendo la temperatura de la superficie del Sol (alrededor de$5800^\mathrm{o C}$si recuerdo correctamente).

Hoguera

Con respecto a la fogata, como se señaló en los comentarios, la convección puede ser considerable si está parado muy cerca de la fogata o incluso si se acerca.

Por convección natural, el aire caliente fluirá hacia arriba y transportará mucha energía de esa manera. La radiación en sí es despreciable en esa posición.

Caminar un poco más lejos podría eliminar por completo el efecto de convección. Esto se sentirá como una gran disminución en la calefacción. Agregando un poco de clima ventoso, es posible que no sienta ningún viento mientras esté en "equilibrio" en la zona de convección cerca de la fogata. Pero caminar dos pasos puede tener un gran efecto de enfriamiento ahora que el enfriamiento por convección forzada del viento también actúa.

El calor se irradia desde la fuente por igual en todas las direcciones (hasta que golpea algo). Imagina el sol. Es aproximadamente esférico e irradia energía (alguna en forma de calor) en todas las direcciones. La energía se irradia en una esfera. A medida que la energía se aleja de la fuente (el sol), la esfera se expande pero la cantidad de energía sigue siendo la misma. Cuando la esfera es dos veces más grande, el área de la superficie es cuatro veces más grande. Esto significa que solo una cuarta parte de la energía se siente en la misma área. Esto se llama la ley del cuadrado inverso porque para cada$n$aumento de tamaño la cantidad de energía en la misma área es$1\over n^2$.

Exactamente la misma regla se aplica a su fogata. Entonces, cuando estás a un metro de distancia, el fuego se siente 1/4 tan caliente como cuando estás a medio metro de distancia.

La respuesta simple es la ley del cuadrado inverso que establece que la intensidad (potencia por unidad de área) de una fuente de calor disminuye con$1/r^2$dónde$r$es la distancia (asumiendo una fuente puntual).

Mirando tu fogata: imagina a las personas de pie una al lado de la otra alrededor de la fogata. Cada uno recibe una parte del calor. Cuando amplían el círculo, más personas pueden recibir parte del calor, pero como no se genera calor adicional, cada uno de ellos recibirá un poco menos. En una situación 2D (sin que el calor se desplace hacia arriba o hacia abajo, solo hacia los lados), esto significaría que el calor disminuye con el inverso de la distancia (el doble de distancia = el doble de personas en el círculo). Sin embargo, para el sol, etc., el calor puede subir, bajar y lateralmente, por lo que si imagina una "fogata tridimensional", entonces, cuando aumenta el radio en 2x, puede obtener 4x más personas (el área es escalas de esfera con radio al cuadrado).

El calor simplemente se dispersa y cuanto más se aleja de la fuente de calor, más espacio tiene el calor para dispersarse.

Hablando informalmente, el calor está determinado por el impulso (promedio) y la densidad de las partículas en movimiento.

Entonces, si las partículas van más despacio, obtienes menos calor. Además, si hay menos partículas en un volumen fijo, es menos caliente.

Ahora, a partir de la geometría simple, puede mostrar fácilmente que alejarse de la fuente de calor significa enfriarse.

Espero que ayude.