Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кузнецы обрабатывают железо, когда оно достаточно горячее, чтобы излучать хорошо видимое тепловое излучение .

Излучательной поверхности материала является его эффективность в излучающих энергию в виде теплового излучения . Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое может включать как видимое излучение ( свет ), так и инфракрасное излучение, невидимое для человеческого глаза . Тепловое излучение очень горячих объектов (см. Фотографию) хорошо видно глазу. Количественно излучательная способность - это отношение теплового излучения от поверхности к излучению от идеальной черной поверхности при той же температуре, которая определяется законом Стефана – Больцмана.. Отношение варьируется от 0 до 1. Поверхность абсолютно черного тела (с излучательной способностью 1) излучает тепловое излучение примерно 448 Вт на квадратный метр при комнатной температуре (25 ° C, 298,15 K); все реальные объекты имеют излучательную способность менее 1.0 и испускают излучение с соответственно меньшей интенсивностью. [1]

Эмиссионные характеристики важны в нескольких контекстах:

  • Изолированные окна - теплые поверхности обычно охлаждаются непосредственно воздухом, но они также охлаждаются, испуская тепловое излучение. Этот второй механизм охлаждения важен для простых стеклянных окон, коэффициент излучения которых близок к максимально возможному значению 1,0. «Низкоэмиссионные окна» с прозрачными покрытиями с низким коэффициентом излучения излучают меньше теплового излучения, чем обычные окна. [2] Зимой эти покрытия могут вдвое снизить скорость потери тепла окном по сравнению с окном без покрытия. [3]
Солнечная система водяного отопления на основе вакуумных стеклянных трубчатых коллекторов . Солнечный свет поглощается внутри каждой трубки избирательной поверхностью. Поверхность почти полностью поглощает солнечный свет, но имеет низкий коэффициент теплового излучения, поэтому теряет очень мало тепла. Обычные черные поверхности также эффективно поглощают солнечный свет, но обильно излучают тепловое излучение.
  • Солнечные коллекторы тепла - аналогично солнечные коллекторы теряют тепло, испуская тепловое излучение. В современных солнечных коллекторах используются отдельные поверхности с очень низким коэффициентом излучения. Эти коллекторы тратят очень мало солнечной энергии из-за теплового излучения. [4]
  • Тепловое экранирование - для защиты конструкций от высоких температур поверхности, таких как многоразовые космические аппараты или гиперзвуковые летательные аппараты, на поверхность изолирующей керамики наносятся покрытия с высоким коэффициентом излучения (HEC) со значениями коэффициента излучения около 0,9. [5] Это облегчает радиационное охлаждение и защиту основной структуры и является альтернативой абляционным покрытиям, используемым в одноразовых капсулах для повторного ввода .
  • Температуры планет. Планеты являются крупномасштабными солнечными тепловыми коллекторами. Температура поверхности планеты определяется балансом между теплом, поглощаемым планетой от солнечного света, теплом, излучаемым ее ядром, и тепловым излучением, излучаемым обратно в космос. Излучательная способность планеты определяется характером ее поверхности и атмосферы. [6]
  • Измерения температуры - пирометры и инфракрасные камеры - это инструменты, используемые для измерения температуры объекта с использованием его теплового излучения; никакого фактического контакта с объектом не требуется. Калибровка этих инструментов включает коэффициент излучения измеряемой поверхности. [7]

Математические определения [ править ]

Полусферический коэффициент излучения [ править ]

Полусферическая излучательная способность поверхности, обозначаемая ε , определяется как [8]

куда

  • M e - лучистая выходная способность этой поверхности;
  • M e ° - это выходная мощность излучения черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Спектральная полусферическая излучательная способность [ править ]

Спектральная полусферическая излучательная способность по частоте и спектральная полусферическая излучательная способность по длине волны поверхности, обозначаемые ε ν и ε λ соответственно, определяются как [8]

куда

  • M e, ν - спектральная выходная плотность излучения на частоте этой поверхности;
  • M e, ν ° - спектральная выходная плотность излучения на частоте черного тела при той же температуре, что и эта поверхность;
  • M e, λ - спектральная выходная мощность излучения в длине волны этой поверхности;
  • M e, λ ° - спектральная выходная плотность излучения на длине волны черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Направленная излучательная способность [ править ]

Направленная излучательная способность поверхности, обозначаемая ε Ω , определяется как [8]

куда

  • L e, Ω - яркость этой поверхности;
  • L e, Ω ° - это сияние черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Спектрально-направленная излучательная способность [ править ]

Спектральная направленная излучательная способность по частоте и спектральная направленная излучательная способность по длине волны поверхности, обозначаемые ε ν, Ω и ε λ, Ω соответственно, определяются как [8]

куда

  • L e, Ω, ν - спектральная яркость на частоте этой поверхности;
  • L e, Ω, ν ° - спектральная яркость на частоте черного тела при той же температуре, что и эта поверхность;
  • L e, Ω, λ - спектральная яркость в длине волны этой поверхности;
  • L e, Ω, λ ° - спектральная яркость в длине волны черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Коэффициенты излучения общих поверхностей [ править ]

Коэффициенты излучения ε можно измерить с помощью простых устройств, таких как куб Лесли, в сочетании с детектором теплового излучения, например, термобатареей или болометром . Устройство сравнивает тепловое излучение от испытуемой поверхности с тепловым излучением почти идеального черного образца. Детекторы представляют собой поглотители черного цвета с очень чувствительными термометрами, которые регистрируют повышение температуры детектора при воздействии теплового излучения. Для измерения излучательной способности при комнатной температуре детекторы должны полностью поглощать тепловое излучение в инфракрасных длинах волн около 10 × 10 -6 метров. [9] Видимый свет имеет диапазон длин волн от 0,4 до 0,7 × 10.−6 метров от фиолетового до темно-красного.

Измерения коэффициента излучения для многих поверхностей собраны во многих справочниках и текстах. Некоторые из них перечислены в следующей таблице. [10] [11]

Фотографии алюминиевого куба Лесли . Цветные фотографии сделаны с помощью инфракрасной камеры; черно-белые фотографии внизу сделаны обычным фотоаппаратом. Все грани куба имеют одинаковую температуру около 55 ° C (131 ° F). Грань куба, окрашенная в черный цвет, имеет высокий коэффициент излучения, о чем свидетельствует красноватый цвет на инфракрасной фотографии. Полированная грань куба имеет низкий коэффициент излучения, обозначенный синим цветом, а отраженное изображение теплой руки четкое.

Примечания:

  1. Эти коэффициенты излучения представляют собой общие коэффициенты излучения полусферы от поверхностей.
  2. Значения коэффициентов излучения относятся к материалам с оптически толстой толщиной . Это означает, что коэффициент поглощения на длинах волн, характерных для теплового излучения, не зависит от толщины материала. Очень тонкие материалы излучают меньше теплового излучения, чем более толстые.

Впитывающая способность [ править ]

Существует фундаментальное соотношение ( закон теплового излучения Густава Кирхгофа 1859 г.), которое уравнивает излучательную способность поверхности с поглощением ею падающего излучения (« поглощающая способность » поверхности). Закон Кирхгофа объясняет, почему коэффициенты излучения не могут превышать 1, поскольку наибольшая поглощающая способность, соответствующая полному поглощению всего падающего света действительно черным объектом, также равна 1. [7] Зеркальные металлические поверхности, которые отражают свет, будут, таким образом, иметь низкие коэффициенты излучения, поскольку отраженный свет не поглощается. Полированная серебряная поверхность имеет коэффициент излучения около 0,02 при комнатной температуре. Черная сажа очень хорошо поглощает тепловое излучение; его коэффициент излучения достигает 0,97, и, следовательно, сажа является хорошим приближением к идеальному черному телу.[13][14]

За исключением чистых полированных металлов, внешний вид поверхности для глаза не является хорошим показателем коэффициента излучения, близкого к комнатной температуре. Таким образом, белая краска поглощает очень мало видимого света. Однако в инфракрасной длине волны 10х10 -6 м, краска поглощает свет очень хорошо, и имеет высокую излучательную способность . Точно так же чистая вода поглощает очень мало видимого света, но, тем не менее, вода является сильным поглотителем инфракрасного излучения и, соответственно, имеет высокий коэффициент излучения.

Направленная спектральная излучательная способность [ править ]

В дополнение к полным полусферическим коэффициентам излучения, указанным в таблице выше, можно также измерить более сложный « направленный спектральный коэффициент излучения ». Этот коэффициент излучения зависит от длины волны и угла исходящего теплового излучения. Закон Кирхгофа фактически применим именно к этому более сложному коэффициенту излучения: коэффициент излучения теплового излучения, выходящего в определенном направлении и на определенной длине волны, совпадает с коэффициентом поглощения падающего света на той же длине волны и под тем же углом. Полный полусферический коэффициент излучения представляет собой средневзвешенное значение этого направленного спектрального коэффициента излучения; среднее описано в учебниках по «лучистому теплопереносу». [7]

Эмиссия [ править ]

Излучательная способность (или мощность излучения) - это общее количество тепловой энергии, излучаемой на единицу площади в единицу времени для всех возможных длин волн. Коэффициент излучения тела при заданной температуре - это отношение общей мощности излучения тела к общей мощности излучения абсолютно черного тела при этой температуре. Согласно закону Планка , общая излучаемая энергия увеличивается с температурой, в то время как пик спектра излучения смещается в сторону более коротких волн. Энергия, излучаемая на более коротких волнах, быстрее увеличивается с температурой. Например, идеальное черное тело, находящееся в тепловом равновесии при 1273 К, будет излучать 97% своей энергии на длинах волн ниже 14 мкм. [5]

Термин излучательная способность обычно используется для описания простой однородной поверхности, такой как серебро. Подобные термины, эмиттанс и термоэмиттанс , используются для описания измерений теплового излучения на сложных поверхностях, таких как изоляционные изделия. [15] [16]

Единицы радиометрии СИ [ править ]

  1. ^ Организации по стандартизации рекомендуютобозначатьрадиометрические величины суффиксом «e» (от «энергетический»), чтобы избежать путаницы с фотометрическими или фотонными величинами.
  2. ^ a b c d e Иногда можно увидеть альтернативные символы: W или E для лучистой энергии, P или F для лучистого потока, I для энергетической освещенности, W для лучистой светимости.
  3. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу частоты , обозначаются суффиксом « ν » (греческий) - не путать с суффиксом «v» (от «визуальный»), обозначающим фотометрическую величину.
  4. ^ a b c d e f g Спектральные величины, заданные на единицу длины волны , обозначаются суффиксом « λ » (греческий).
  5. ^ a b Направленные величины обозначаются суффиксом « Ω » (греческий).

См. Также [ править ]

  • Альбедо
  • Излучение черного тела
  • Закон Стефана – Больцмана
  • Сияющий барьер
  • Отражательная способность
  • Форм-фактор (перенос излучения)
  • Уравнение Сакума – Хаттори
  • Закон смещения Вина

Ссылки [ править ]

  1. ^ Закон Стефана-Больцмана гласит ,что скорость испускания теплового излучения составляет σT 4 , где σ = 5,67 × 10 -8 Вт / м 2 / K 4 , а температура T находится в градусах Кельвина. См. Trefil, James S. (2003). Природа науки: Руководство по законам и принципам, регулирующим нашу Вселенную . Houghton Mifflin Harcourt . п. 377 . ISBN 9780618319381.
  2. ^ "История успеха НИОКР Low-E Window" (PDF) . Исследования и разработки окон и строительных конструкций: дорожная карта для новых технологий . Министерство энергетики США . Февраль 2014. с. 5.
  3. ^ Фрике, Йохен; Борст, Уолтер Л. (2013). Основы энергетических технологий . Wiley-VCH . п. 37. ISBN 978-3527334162.
  4. ^ Фрике, Йохен; Борст, Уолтер Л. (2013). «9. Солнечные батареи и водяное отопление» . Основы энергетических технологий . Wiley-VCH. п. 249. ISBN 978-3527334162.
  5. ^ а б Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышенная стойкость к окислению покрытий с высоким коэффициентом излучения на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Коррозионная наука . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . DOI : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 . S2CID 118927116 . 
  6. ^ «Климатическая чувствительность» . Американское химическое общество . Проверено 21 июля 2014 .
  7. ^ a b c Сигел, Роберт (2001). Тепловое излучение теплопередачи, четвертое издание . CRC Press . п. 41. ISBN 9781560328391.
  8. ^ a b c d «Теплоизоляция. Передача тепла излучением. Физические величины и определения» . ISO 9288: 1989 . Каталог ISO . 1989 . Проверено 15 марта 2015 .
  9. ^ Для действительно черного объекта спектр его теплового излучения достигает максимума на длине волны, заданной законом Вина : λ max = b / T , где температура T выражается в кельвинах, а постоянная b  ≈ 2,90 × 10 −3 метра-кельвина. Температура в помещении около 293 кельвина. Сам солнечный свет - это тепловое излучение, исходящее от горячей поверхности солнца. Температура поверхности Солнца около 5800 кельвинов хорошо соответствует максимальной длине волны солнечного света, которая соответствует длине зеленой волны около 0,5 × 10 -6 метров. См. Саха, Кшудирам (2008). Атмосфера Земли: ее физика и динамика .Springer Science & Business Media . п. 84. ISBN 9783540784272.
  10. ^ Брюстер, М. Куинн (1992). Тепловой перенос излучения и свойства . Джон Вили и сыновья . п. 56. ISBN 9780471539827.
  11. ^ Справочник ASHRAE 2009: Основы - IP Edition . Атланта: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. 2009. ISBN. 978-1-933742-56-4.«IP» относится к единицам измерения в дюймах и фунтах; Также доступна версия справочника с метрическими единицами измерения. Коэффициент излучения - это простое число, не зависящее от системы единиц.
  12. ^ Видимый цвет поверхности из анодированного алюминия не сильно влияет на ее излучательную способность. См. «Излучательная способность материалов» . Electro Optical Industries, Inc. Архивировано 19 сентября 2012 года.
  13. ^ "Таблица общей излучательной способности" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 11 июля 2009 года. Таблица коэффициентов излучения, предоставленная компанией; источник этих данных не указан.
  14. ^ «Влияющие факторы» . Общество Evitherm - Виртуальный институт тепловой метрологии. Архивировано из оригинала на 2014-01-12 . Проверено 19 июля 2014 .
  15. ^ «ASTM C835 - 06 (2013) e1: Стандартный метод испытаний для определения полного полусферического излучения поверхностей до 1400 ° C» . ASTM International . Проверено 9 августа 2014 .
  16. ^ Крюгер, Абэ; Севилья, Карл (2012). Зеленое строительство: принципы и практика в жилищном строительстве . Cengage Learning . п. 198. ISBN 9781111135959.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Спектральная излучательная способность и излучательная способность» . Southampton, PA: Temperatures.com, Inc. Архивировано из оригинала 4 апреля 2017 года.Открытый веб-сайт и каталог, ориентированный на сообщества, с ресурсами, связанными со спектральной излучательной способностью и излучательной способностью. На этом сайте основное внимание уделяется доступным данным, ссылкам и ссылкам на ресурсы, относящиеся к спектральной излучательной способности, поскольку она измеряется и используется в термометрии теплового излучения и термографии (тепловизионное изображение).
  • «Коэффициенты излучения некоторых распространенных материалов» . engineeringtoolbox.com.Ресурсы, инструменты и базовая информация для разработки и проектирования технических приложений. Этот сайт предлагает обширный список других материалов, не упомянутых выше.