Mata grzewcza czy żarówka: co pod, co nad i dlaczego to nie jest wymienne

W sklepie pytanie zwykle brzmi tak: „mata czy żarówka?”, jakby ktoś kazał wybrać kolor tego samego swetra. No i wybiera się wtedy to, co tańsze.

Problem w tym, że nie wybierasz między dwoma kolorami. Wybierasz między trzema różnymi sposobami przenoszenia energii, a każdy z nich inną drogą dociera do zwierzęcia i robi coś innego z powietrzem, podłożem i wykresem temperatur.

Trzy drogi ciepła

Fizyka zna trzy mechanizmy wymiany ciepła i w terrarium działają wszystkie trzy, tylko w różnych proporcjach.

Przewodzenie działa przez kontakt. Mata grzewcza podgrzewa szybę, szyba podgrzewa podłoże, a podłoże podgrzewa brzuch zwierzęcia, które na nim leży. Energia przechodzi warstwa po warstwie i po drodze słabnie.

Konwekcja to przenoszenie ciepła przez ruch powietrza. Ciepłe powietrze idzie do góry, chłodne opada i zaczyna się cyrkulacja. Tak pracuje promiennik ceramiczny: nagrzewa powietrze, a powietrze rozprowadza ciepło po terrarium.

Promieniowanie jest falą elektromagnetyczną w podczerwieni. Nie potrzebuje pośrednika. Lampa świeci, promieniowanie leci prosto na to, co jest pod nią, i dopiero tam zamienia się w ciepło. Powietrze po drodze nagrzewa się przy okazji, ale tylko trochę, bo dla podczerwieni jest w dużej mierze przezroczyste.

To ostatnie jest kluczowe, więc powiem jaśniej: żarówka nagrzewa kamień, na który świeci, a nie powietrze między sobą a kamieniem. Dlatego termometr powietrza zawieszony pod lampą potrafi pokazać kilkanaście stopni mniej, niż ma kamień leżący w strumieniu.

Zasięg maty kończy się szybciej, niż myślisz

Da się to policzyć z prawa Fouriera, bo mata pod szybą, szyba i warstwa podłoża zachowują się jak zwykła ściana wielowarstwowa. Ciepło płynie przez taki układ jak prąd przez szeregowe rezystory.

To jest model jednowymiarowy (czyli wersja optymistyczna). Zakłada, że mata leży pod całym dnem, a ciepło idzie tylko w górę. Prawdziwa mata pod jedną trzecią dna oddaje jeszcze część ciepła na boki, więc na powierzchni będzie chłodniej niż w tabelce. Powietrze nad podłożem dostaje z tego strumienia kilkadziesiąt watów na metr kwadratowy i praktycznie nie zauważa, że mata w ogóle istnieje.

Wniosek praktyczny jest prosty: grubość podłoża jest częścią układu grzewczego. Opór warstwy piasku rośnie liniowo z grubością i przy 5 cm jest już prawie dwa razy większy niż opór oddawania ciepła do powietrza. Jeśli nasypiesz osiem centymetrów substratu na matę, to matę masz, ale grzania na powierzchni prawie nie masz. A kiedy w odpowiedzi podkręcisz nastawę, żeby jednak coś dogrzać, wpychasz szybę pod spodem w temperaturę, w której nikt jej nie chciał widzieć.

Prawo odwrotności kwadratu, czyli dlaczego wysokość lampy zmienia wszystko

Promieniowanie z punktowego źródła rozchodzi się na coraz większą powierzchnię, więc jego natężenie spada mniej więcej z kwadratem odległości. Dwa razy dalej, cztery razy mniej.

W praktyce podniesienie lampy o dziesięć centymetrów potrafi zmienić temperaturę na kamieniu bardziej niż wymiana żarówki na mocniejszą. I odwrotnie: obniżenie klosza „tylko trochę” potrafi zrobić z miejsca do wygrzewania patelnię.

Praktyczny wniosek: wysokość zawieszenia lampy jest regulatorem, i to bardzo skutecznym. Z tego samego wzoru obniżenie lampy z 25 do 20 cm zwiększa natężenie o (25/20)² ≈ 1,56 raza. To tyle, co wymiana żarówki na mocniejszą o ponad połowę (przy założeniu, że ta sama część mocy leci w dół). Zanim kupisz mocniejszą żarówkę, spróbuj obniżyć obecną o pięć centymetrów. Zanim uznasz, że jest za gorąco, spróbuj ją podnieść.

Wat to nie jest jednostka ciepła w terrarium

Producent podaje moc w watach. Wat mówi, ile energii elektrycznej urządzenie pobiera z gniazdka. Nie mówi jednak:

• jaka część tej energii wychodzi jako promieniowanie, a jaka jako ciepło konwekcyjne;
• w którym kierunku to leci;
• ile z tego przechwyci klosz, a ile ucieknie w sufit;
• ile pochłonie szyba, a ile podłoże;
• co się stanie, gdy w pokoju będzie o pięć stopni chłodniej.

Mnie interesuje coś innego: ile z tego dociera do brzucha gekona. To są dwie zupełnie różne liczby, których nikt nigdzie nie zestawia.

Dlatego moc dobieram z zapasem, a temperaturę ustawiam termostatem. Mata 20 W na termostacie pulsacyjnym, który wykorzystuje sześćdziesiąt procent jej mocy, jest lepszym rozwiązaniem niż mata 12 W pracująca na sto procent bez sterowania. Pierwsza ma zapas na chłodniejszy tydzień. Druga już oddaje wszystko, co ma.

Czego się nauczyłem po drodze

Mata i żarówka nie są konkurencją. W moim terrarium z gekonem pracuje mata, bo to zwierzę pobiera ciepło z nagrzanego podłoża i mata odtwarza dokładnie ten mechanizm. W terrarium z agamą pracuje żarówka, bo tam potrzebny jest strumień z góry i gorąca plama, w której zwierzę może się wygrzać (mata by tego nie zrobiła, choćby miała trzysta watów).

Wybór nie zależy od ceny ani od tego, co leżało bliżej kasy. Zależy od tego, którędy dane zwierzę pobiera ciepło. Jedno pytanie, najlepiej zadane przed zakupem.