Коэффициент излучения

Кузнецы работают железо, когда он достаточно горячий, чтобы излучать хорошо видимое тепловое излучение.

излучательная способность поверхности материала - это его эффективность в излучении энергии в виде теплового излучения. Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое может включать как видимое излучение (свет ), так и инфракрасное излучение, которое не видно человеческим глазом. 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 задается 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 коэффициент излучения менее 1,0 и излучают с соответственно более низкой скоростью.

Коэффициент излучения важен в нескольких контекстах:

• Изолированные окна - теплые поверхности обычно охлаждаются непосредственно воздухом, но они также охлаждают себя, испуская тепловое излучение. Этот второй механизм охлаждения важен для простых стеклянных окон, у которых коэффициент излучения близок к максимально возможному значению 1,0. «Низкоэмиссионные окна» с прозрачными покрытиями с низким коэффициентом излучения излучают меньше теплового излучения, чем обычные окна. Зимой эти покрытия могут вдвое снизить скорость потери тепла окном по сравнению с окном из стекла без покрытия.

Система солнечного нагрева воды, основанная на вакуумных коллекторах из стеклянных трубок. 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 они сильно излучают тепловое излучение.

• Солнечные коллекторы тепла - Точно так же солнечные коллекторы тепла теряют тепло, испуская тепловое излучение. Современные солнечные коллекторы включают избирательные поверхности с очень низким коэффициентом излучения. Эти коллекторы тратят очень мало солнечной энергии из-за испускания теплового излучения.
• Тепловая защита - Для защиты конструкций от высоких температур поверхности, таких как многоразовые космические аппараты или гиперзвуковые самолетов, покрытия с высоким коэффициентом излучения (HEC) со значениями коэффициента излучения около 0,9 наносятся на поверхность изоляционной керамики. Это способствует радиационному охлаждению и защите нижележащей конструкции и является альтернативой абляционным покрытиям, используемым в одноразовых возвратных капсулах.
• Температура планет - планеты являются солнечными тепловыми коллекторами на большой размах. Температура поверхности планеты определяется балансом между теплом, поглощаемым планетой от солнечного света, теплом, излучаемым ее ядром, и тепловым излучением, излучаемым обратно в космос. Коэффициент излучения планеты определяется характером ее поверхности и атмосферы.
• Измерения температуры - Пирометры и инфракрасные камеры - это инструменты, используемые для измерения температуры объекта. с помощью теплового излучения; никакого фактического контакта с объектом не требуется. Калибровка этих инструментов включает коэффициент излучения измеряемой поверхности.

Содержание

• 1 Математические определения
  • 1.1 Полусферический коэффициент излучения
  • 1.2 Спектральный полусферический коэффициент излучения
  • 1.3 Направленный коэффициент излучения
  • 1.4 Спектральный направленный излучательная способность
• 2 коэффициенты излучения обычных поверхностей
• 3 поглощающая способность
  • 3.1 направленная спектральная излучательная способность
• 4 излучательная способность
• 5 единиц радиометрии SI
• 6 См. также
• 7 Ссылки
• 8 Дополнительная литература

Математические определения

Полусферический коэффициент излучения

Полусферический коэффициент излучения поверхности, обозначенный ε, определяется как

$\epsilon \; =\; M\; e\; M\; e\; \circ ,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; =\; \{\backslash \; frac\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\}\}\}\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\}\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\},\}$

где

• Me- выходная мощность излучения этой поверхности;
• Me- коэффициент излучения черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Спектральная полусферическая излучательная способность

Спектральная полусферическая излучательная способность на частоте и спектральная полусферическая излучательная способность Активность на длине волны поверхности, обозначаемая ε ν и ε λ соответственно, определяется как

$\epsilon \; \nu \; =\; M\; e,\; \nu \; M\; e,\; \nu \; \circ ,\; \{\; \backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; nu\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; nu\}\}\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; nu\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\},\}$

$\epsilon \; \lambda \; знак\; равно\; М\; е,\; \lambda \; М\; е,\; \lambda \; \circ ,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; lambda\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; lambda\}\}\; \{M\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; лямбда\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\},\}$

где

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

Направленная излучательная способность

Направленная излучательная способность поверхности, обозначаемая ε Ω, определяется как

$\epsilon \; \Omega \; =\; L\; e,\; \Omega \; L\; e,\; \Omega \; \circ ,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; Omega\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; Omega\}\}\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\; \},\; \backslash \; Omega\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\},\}$

где

• Le, Ω - это яркость этой поверхности;
• Le, Ω - это излучение черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.

Спектральная направленная излучательная способность

Спектральная направленная излучательная способность на частоте и спектральная направленная излучательная способность на длине волны поверхности, обозначенная ε ν, Ω и ε λ, Ω соответственно определяются как

$\epsilon \; \nu ,\; \Omega \; =\; L\; e,\; \Omega ,\; \nu \; L\; e,\; \Omega ,\; \nu \; \circ ,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; nu,\; \backslash \; Omega\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; Omega,\; \backslash \; nu\}\}\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; Omega,\; \backslash \; nu\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \},\}$

$\epsilon \; \lambda ,\; \Omega \; =\; L\; e,\; \Omega ,\; \lambda \; L\; e,\; \Omega ,\; \lambda \; \circ ,\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; lambda,\; \backslash \; Omega\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; Omega,\; \backslash \; lambda\}\}\; \{L\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{e\},\; \backslash \; Omega,\; \backslash \; lambda\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\},\}$

где

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

Коэффициенты излучения общих поверхностей

Коэффициенты излучения ε могут быть измерено с помощью простых устройств, таких как куб Лесли в сочетании с детектором теплового излучения, например, термобатареей или болометром. Прибор сравнивает тепловое излучение от испытуемой поверхности с тепловым излучением почти идеального черного образца. Детекторы по сути представляют собой черные поглотители 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 на инфракрасных длинах волн около 10 × 10 метров. Видимый свет имеет диапазон длин волн от 0,4 до 0,7 × 10 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.

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). Лицевая сторона куба, окрашенная в черный цвет, имеет высокий коэффициент излучения, о чем свидетельствует красноватый цвет на инфракрасной фотографии. Полированная поверхность куба имеет низкий коэффициент излучения, обозначенный синим цветом, и отраженное изображение теплой руки четкое.

Материал	Коэффициент излучения
Алюминиевая фольга	0,03
Алюминий, анодированный	0,9
Асфальт	0,88
Кирпич	0,90
Бетон, грубый	0,91
Медь, полированная	0,04
Медь окисленная	0,87
Стекло, гладкое (без покрытия)	0,95
Лед	0,97
Известняк	0,92
Мрамор (полированный)	0,89–0,92
Краска (в том числе белая)	0,9
Бумага кровельная или белая	0,88–0,86
Гипс, грубый	0,89
Серебро, полированное	0,02
Серебро, окисленное	0,04
Кожа, человек	от 0,97 до 0,999
Снег	от 0,8 до 0,9
Переходный металл Дисилициды (например, MoSi 2 или WSi 2 )	от 0,86 до 0,93
Вода, чистая	0,96

Примечания:

1. Эти коэффициенты излучения являются полными сферические коэффициенты излучения от поверхностей.
2. Значения коэффициентов излучения относятся к материалам с оптически 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 материалы.

Поглощающая способность

Существует фундаментальное соотношение (закон теплового излучения Густава Кирхгофа 1859 г.), которое уравнивает коэффициент излучения поверхности с его поглощением 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. Зеркальные металлические поверхности, которые отражают свет, будут таким образом иметь низкие коэффициенты излучения, поскольку отраженные свет не поглощается. Полированная серебряная поверхность имеет коэффициент излучения около 0,02 вблизи комнатной температуры. Черная сажа очень хорошо поглощает тепловое излучение; его излучательная способность достигает 0,97, и, следовательно, сажа является хорошим приближением к идеальному черному телу.

За исключением полированных металлов, внешний вид поверхности для глаза не является хорошим ориентиром. излучательной способности, близкой к комнатной температуре. Таким образом, белая краска поглощает очень мало видимого света. Однако при длине волны инфракрасного излучения 10х10 метров краска очень хорошо поглощает свет и имеет высокий коэффициент излучения. 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

В дополнение к полусферической излучательной способности, приведенной в таблице выше, можно также измерить более сложный "". 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. Полная полусферическая излучательная способность представляет собой средневзвешенное значение этой направленной спектральной излучательной способности; среднее значение описано в учебниках по «лучистой теплопередаче».

Emittance

Emittance (или излучаемая мощность) - это общее количество тепловой энергии, излучаемой на единицу площади в единицу времени для всех возможных длин волн. Излучательная способность тела при данной температуре - это отношение общей излучающей способности тела к общей излучающей способности 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, увеличивается быстрее с температурой. Например, идеальное черное тело, находящееся в тепловом равновесии при 1273 K, будет излучать 97% своей энергии на длинах волн ниже 14 мкм.

Термин излучательная способность обычно используется для описания простого однородного поверхность, например, серебро. Подобные термины, излучательная способность и тепловая излучательная способность, используются для описания измерений теплового излучения на сложных поверхностях, таких как изоляционные изделия.

единицы радиометрии СИ

единицы радиометрии СИ

• v
• t

Количество		Единица		Размер	Примечания
Имя	Символ	Имя	Символ	Символ
Лучистая энергия	Qe	джоуль	J	M⋅L⋅T	Энергия электромагнитного излучения.
Плотность лучистой энергии	we	джоулей на кубический метр	Дж / м	M⋅L⋅T	Лучистая энергия на единицу объема.
Лучистый поток	Φe	ватт	W = Дж / с	M⋅L⋅T	Излучаемая, отраженная, переданная или полученная энергия излучения в единицу времени. Иногда это также называют «сияющей силой».
Спектральный поток	Φe, ν	ватт на герц	W/Hz	M⋅L⋅T	Лучистый поток на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅nm.
	Φe, λ	ватт на метр	Вт / м	M⋅L⋅T
Сила излучения	Ie, Ом	ватт на стерадиан	W/sr	M⋅L⋅T	Излучаемый, отраженный поток излучения, переданные или принятые на единицу телесного угла. Это направленная величина.
Спектральная интенсивность	Ie, Ом, ν	ватт на стерадиан на герц	Вт⋅ср⋅Гц	M⋅L⋅T	Интенсивность излучения на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr⋅nm. Это направленная величина.
	Ie, Ом, λ	ватт на стерадиан на метр	Вт⋅см	M⋅L⋅T
Сияние	Le, Ом	ватт на стерадиан на квадратный метр	Вт⋅см	M⋅T	Лучистый поток, излучаемый, отраженный, передаваемый или принимаемый поверхностью, на единицу телесного угла на единицу площади проекции. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная яркость	Lе, Ом, ν	ватт на стерадиан на квадратный метр на герц	Вт⋅ср⋅м⋅Гц	M⋅T	Яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в W⋅sr⋅m⋅nm. Это направленная величина. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
	Le, Ом, λ	ватт на стерадиан на квадратный метр, на метр	Вт⋅см	M⋅L⋅T
Энергия излучения. Плотность потока	Ee	ватт на квадратный метр	Вт / м	M⋅T	Поток излучения, принимаемый поверхностью на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная освещенность. Спектральная плотность потока	Ee, ν	ватт на квадратный метр на герц	Вт · м · Гц	M⋅T	Энергетическая освещенность поверхности на единицу частоты или длины волны. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью». Единицы измерения спектральной плотности потока, не входящие в систему СИ, включают янски (1 Ян = 10 Вт⋅мГц) и единицу солнечного потока (1 sfu = 10 Вт⋅мГц = 10 Ян).
	Ee, λ	ватт на квадратный метр на метр	Вт / м	M⋅L⋅T
Радиосвет	Je	ватт на квадратный метр	Вт / м	M⋅T	Лучистый поток оставляя (излучаемый, отраженный и проходящий) поверхность на единицу площади. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная светимость	Jе, ν	ватт на квадратный метр на герц	Вт⋅м⋅Гц	M⋅T	Светимость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅мнм. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
	Je, λ	ватт на квадратный метр на метр	Вт / м	M⋅L⋅T
коэффициент излучения	Me	ватт на квадратный метр	Вт / м	M⋅T	излучающий поток, излучаемый поверхностью на единицу площади. Это излучаемая составляющая излучения. «Излучение» - это старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «интенсивностью».
Спектральная светимость	Mе, ν	ватт на квадратный метр на герц	Вт⋅м⋅Гц	M⋅T	Световая яркость поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Вт⋅мнм. «Спектральный коэффициент излучения» - старый термин для обозначения этой величины. Иногда это также ошибочно называют «спектральной интенсивностью».
	Me, λ	ватт на квадратный метр на метр	Вт / м	M⋅L⋅T
Излучение	He	джоуль на квадратный метр	Дж / м	M⋅T	излучающее энергия, получаемая поверхностью на единицу площади, или, что эквивалентно, освещенность поверхности, интегрированная во времени облучения. Иногда это также называют «сияющим флюенсом».
Спектральная экспозиция	Hе, ν	джоуль на квадратный метр на герц	Дж⋅м⋅Гц	M⋅T	Излучение поверхности на единицу частоты или длины волны. Последний обычно измеряется в Дж⋅мнм. Иногда это также называют «спектральным флюенсом».
	He, λ	джоуль на квадратный метр, на метр	Дж / м	M⋅L⋅T
Коэффициент излучения в полусфере	ε	N / A		1	Коэффициент излучения поверхности, деленный на черное тело при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральная полусферическая излучательная способность	εν. or. ελ	Неприменимо		1	Спектральная светимость поверхности, деленная на светимость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Направленная излучательная способность	εΩ	Н / Д		1	Сияние, излучаемое поверхностью, деленное на излучаемое черным телом при той же температуре, что и эта поверхность.
Спектральная направленная излучательная способность	εОм, ν. or. εОм, λ	Н / Д		1	Спектральная яркость, излучаемая поверхностью, деленная на яркость черного тела при той же температуре, что и эта поверхность.
Полусферическое поглощение	A	Н / Д		1	Поток излучения, поглощаемый поверхностью, деленный на поток, получаемый этой поверхностью. Не следует путать с «оптической плотностью ».
Спектральное полусферическое поглощение	Aν. or. Aλ	Н / Д		1	Спектральный поток, поглощаемый поверхностью, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью. Это не следует путать с «спектральной абсорбцией ».
Направленное поглощение	AΩ	Н / П		1	Излучение, поглощаемое поверхностью, деленное на яркость, падающую на эту поверхность. Не следует путать с «оптической плотностью ».
Спектральное направленное поглощение	AОм, ν. or. AОм, λ	Н / Д		1	Спектральная яркость, поглощаемая поверхностью, деленная на спектральную яркость, падающую на эту поверхность. Это не следует путать с «спектральной абсорбцией ».
Коэффициент отражения в полусфере	R	Н / Д		1	Излучаемый поток, отраженный поверхностью, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Спектральная полусферическая отражательная способность	Rν. or. Rλ	Н / Д		1	Спектральный поток, отраженный поверхностью, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Направленная отражательная способность	RΩ	N / A		1	Сияние, отраженное поверхностью, деленное на получаемое этой поверхностью.
Спектральная отражательная способность	RОм, ν. or. RОм, λ	Н / Д		1	Спектральная яркость, отраженная от поверхности, деленная на яркость, полученную этой поверхностью.
Коэффициент пропускания в полусфере	T	Н / Д		1	Излучаемый поток, передаваемый поверхностью, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Спектральный полусферический коэффициент пропускания	Tν. or. Tλ	Н / Д		1	Спектральный поток, передаваемый поверхностью, деленный на поток, принимаемый этой поверхностью.
Направленный коэффициент пропускания	TΩ	Н / Д		1	Сияние, передаваемое поверхностью, деленное на получаемое этой поверхностью.
Спектральное направленное пропускание	TОм, ν. or. TОм, λ	Н / Д		1	Спектральная яркость, передаваемая поверхностью, деленная на яркость, принимаемую этой поверхностью.
Коэффициент затухания в полусфере	μ	обратный метр	m	L	Поток излучения, поглощаемый и рассеиваемый объемом на единицу длины, деленный на полученный этим объемом.
Спектральный полусферический коэффициент затухания	μν. or. μλ	обратный измеритель	m	L	Спектральный лучистый поток, поглощенный и рассеянный объемом на единицу длины, деленный на полученный этим объемом.
Коэффициент направленного ослабления	μΩ	обратный измеритель	m	L	Излучение, поглощаемое и рассеиваемое объемом на единицу длины, деленное на полученное этим объемом.
Коэффициент направленного спектрального ослабления	μОм, ν. or. μОм, λ	обратный метр	m	L	Спектральная яркость, поглощенная и рассеянная объемом на единицу длины, деленная на полученное этим объемом.
См. Также: SI ·Радиометрия ·Фотометрия

См. Также

• Альбедо
• Излучение черного тела
• Закон Стефана – Больцмана
• Радиантный барьер
• Отражательная способность
• Форма коэффициент (перенос излучения)
• уравнение Сакумы – Хаттори
• закон смещения Вина

Ссылки

Дополнительная литература

• «Спектральная излучательная способность и излучательная способность». Саутгемптон, Пенсильвания: Temperatures.com, Inc. Архивировано с 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 излучательной способности некоторых распространенных материалов». engineeringtoolbox.com. Ресурсы, инструменты и основная информация для проектирования и разработки технических приложений. Этот сайт предлагает обширный список других материалов, не упомянутых выше.