Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die thermische Bewegung von Partikeln in Materie erzeugt wird. Alle Materie mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt strahlt Wärmestrahlung aus. Die Bewegung der Partikel führt zu einer Ladungsbeschleunigung oder Dipolschwingung, die elektromagnetische Strahlung erzeugt.
Die mit einer Infrarotkamera nachweisbare Infrarotstrahlung von Tieren und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung sind Beispiele für Wärmestrahlung.
Wenn ein strahlungsemittierendes Objekt den physikalischen Eigenschaften eines schwarzen Körpers im thermodynamischen Gleichgewicht entspricht, wird die Strahlung als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. [1] Das Plancksche Gesetz beschreibt das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung, das ausschließlich von der Temperatur des Objekts abhängt. Das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt die wahrscheinlichste Häufigkeit der emittierten Strahlung, und das Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt die Strahlungsintensität an. [2]
Die Wärmestrahlung ist auch einer der grundlegenden Mechanismen der Wärmeübertragung.
Überblick [ edit ]
Wärmestrahlung, auch Wärme genannt, ist die Emission elektromagnetischer Wellen aus allen Stoffen, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt. [3] Es repräsentiert die Umwandlung von Wärmeenergie in elektromagnetische Energie. Die thermische Energie besteht aus der kinetischen Energie zufälliger Bewegungen von Atomen und Molekülen in der Materie. Alle Materie mit einer Temperatur per Definition setzt sich aus Teilchen zusammen, die kinetische Energie haben und miteinander interagieren. Diese Atome und Moleküle bestehen aus geladenen Teilchen, d. H. Protonen und Elektronen, und kinetische Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen führen zu Ladungsbeschleunigung und Dipolschwingung. Dies führt zur elektrodynamischen Erzeugung von gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, was zur Emission von Photonen führt, wobei Energie durch den Oberflächenrand des Körpers abgestrahlt wird. Elektromagnetische Strahlung, einschließlich Licht, erfordert nicht die Anwesenheit von Materie, um sich auszubreiten und bewegt sich im Vakuum des Weltraums unendlich weit, wenn sie nicht blockiert ist.
Die Eigenschaften der Wärmestrahlung hängen von verschiedenen Eigenschaften der Oberfläche ab, von der sie ausgeht, einschließlich ihrer Temperatur, ihres spektralen Absorptionsvermögens und ihrer spektralen Emissionskraft, wie durch das Kirchhoffsche Gesetz ausgedrückt. [3] Die Strahlung ist nicht monochromatisch, dh sie ist nicht monochromatisch besteht nicht nur aus einer einzigen Frequenz, sondern besteht aus einer kontinuierlichen Dispersion der Photonenenergien, ihrem charakteristischen Spektrum. Wenn der strahlende Körper und seine Oberfläche sich im thermodynamischen Gleichgewicht befinden und die Oberfläche bei allen Wellenlängen ein perfektes Absorptionsvermögen aufweist, wird sie als schwarzer Körper bezeichnet. Ein schwarzer Körper ist auch ein perfekter Emitter. Die Strahlung solcher perfekten Emitter wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. Das Verhältnis der Emission eines Körpers relativ zu dem eines schwarzen Körpers ist das Emissionsvermögen des Körpers, so dass ein schwarzer Körper ein Emissionsvermögen der Einheit hat.
Absorptionsvermögen, Reflexionsvermögen und Emissionsgrad aller Körper hängen von der Wellenlänge der Strahlung ab. Aufgrund der Reziprozität sind Absorptionsvermögen und Emissionsgrad für eine bestimmte Wellenlänge gleich - ein guter Absorber ist notwendigerweise ein guter Emitter und ein schlechter Absorber ein schlechter Emitter. Die Temperatur bestimmt die Wellenlängenverteilung der elektromagnetischen Strahlung. Zum Beispiel ist der weiße Anstrich in der Abbildung rechts für sichtbares Licht (Reflexionsvermögen etwa 0,80) stark reflektierend und erscheint daher für das menschliche Auge aufgrund von reflektiertem Sonnenlicht weiß, das eine Wellenlänge von etwa 0,5 Mikrometern hat. Sein Emissionsgrad bei einer Temperatur von etwa –5 ° C (23 ° F), einer Spitzenwellenlänge von etwa 12 Mikrometern, beträgt jedoch 0,95. Für die Wärmestrahlung erscheint es daher schwarz.
Die Verteilung der Macht, die ein schwarzer Körper mit unterschiedlicher Frequenz abgibt, wird durch das Plancksche Gesetz beschrieben. Bei jeder Temperatur gibt es eine Frequenz f max bei der die abgegebene Leistung maximal ist. Das Verschiebungsgesetz von Wien und die Tatsache, dass die Frequenz umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, zeigt an, dass die Spitzenfrequenz f max proportional zur absoluten Temperatur T des schwarzen Körpers ist . Die Photosphäre der Sonne emittiert bei einer Temperatur von ungefähr 6000 K hauptsächlich Strahlung im (menschlich) sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Die Erdatmosphäre ist für sichtbares Licht teilweise transparent, und das auf die Oberfläche gelangende Licht wird absorbiert oder reflektiert. Die Erdoberfläche emittiert die absorbierte Strahlung und nähert sich dabei dem Verhalten eines schwarzen Körpers bei 300 K mit spektralem Peak bei f max . Bei diesen niedrigeren Frequenzen ist die Atmosphäre weitgehend undurchsichtig, und Strahlung von der Erdoberfläche wird von der Atmosphäre absorbiert oder gestreut. Obwohl etwa 10% dieser Strahlung in den Weltraum entweichen, wird das meiste von den atmosphärischen Gasen absorbiert und wieder abgegeben. Diese spektrale Selektivität der Atmosphäre ist für den Treibhauseffekt der Planeten verantwortlich und trägt allgemein zur globalen Erwärmung und zum Klimawandel bei (aber auch entscheidend zur Klimastabilität, wenn sich Zusammensetzung und Eigenschaften der Atmosphäre nicht ändern).
Die Glühlampe hat ein Spektrum, das die Schwarzkörperspektren von Sonne und Erde überlappt. Einige der von einem Wolframglühlampenfilament bei 3000 K emittierten Photonen liegen im sichtbaren Spektrum. Die meiste Energie ist mit Photonen längerer Wellenlänge verbunden; Diese helfen nicht, die Person zu sehen, übertragen aber dennoch Wärme an die Umwelt, wie sich aus der Beobachtung einer Glühbirne empirisch ableiten lässt. Wenn EM-Strahlung emittiert und dann absorbiert wird, wird Wärme übertragen. Dieses Prinzip wird in Mikrowellenherden, beim Laserschneiden und bei der RF-Haarentfernung angewendet.
Im Gegensatz zu leitfähigen und konvektiven Formen der Wärmeübertragung kann die Wärmestrahlung durch Verwendung von reflektierenden Spiegeln an einem winzigen Punkt konzentriert werden. Die Konzentration der Sonnenenergie nutzt diese Tatsache. In vielen derartigen Systemen werden Spiegel verwendet, um Sonnenlicht auf einen kleineren Bereich zu konzentrieren. Anstelle von Spiegeln können Fresnel-Linsen auch verwendet werden, um den Wärmefluss zu konzentrieren. (Prinzipiell kann jede Art von Linsen verwendet werden, jedoch ist nur das Design der Fresnel-Linse für sehr große Linsen geeignet.) Beide Methoden können verwendet werden, um Wasser unter Verwendung von Sonnenlicht schnell in Dampf zu verdampfen. Das Sonnenlicht, das von Spiegeln reflektiert wird, heizt beispielsweise das Solarkraftwerk PS10, und tagsüber kann Wasser auf 285 ° C (558,15 K) oder 545 ° F erhitzt werden.
Oberflächeneffekte [ edit ]
Hellere Farben und auch Weiß- und Metallsubstanzen absorbieren weniger Beleuchtungslicht und erwärmen sich dadurch weniger; Ansonsten macht Farbe jedoch einen geringen Unterschied in Bezug auf die Wärmeübertragung zwischen einem Objekt bei alltäglichen Temperaturen und seiner Umgebung, da die dominanten emittierten Wellenlängen keineswegs in der Nähe des sichtbaren Spektrums liegen, sondern eher im fernen Infrarot. Emissionsgrade bei diesen Wellenlängen haben wenig mit visuellen Emissionsgraden (sichtbare Farben) zu tun; Im fernen Infrarotbereich weisen die meisten Objekte hohe Emissionsgrade auf. Daher macht die Farbe der Kleidung außer im Sonnenlicht kaum einen Unterschied in Bezug auf die Wärme. Ebenso ist die Farbe der Häuser für die Wärme kaum von Bedeutung, außer wenn der lackierte Teil sonnenbeschienen ist.
Die Hauptausnahme bilden glänzende Metalloberflächen, die sowohl in den sichtbaren Wellenlängen als auch im fernen Infrarot niedrige Emissionsgrade aufweisen. Solche Oberflächen können verwendet werden, um die Wärmeübertragung in beide Richtungen zu reduzieren. Ein Beispiel dafür ist die mehrschichtige Isolierung, die zur Isolierung von Raumfahrzeugen verwendet wird.
Fenster mit niedrigem Emissionsgrad sind eine kompliziertere Technologie, da sie bei thermischen Wellenlängen einen niedrigen Emissionsgrad aufweisen müssen, während sie für sichtbares Licht transparent bleiben.
Nanostrukturen mit spektral selektiven thermischen Emittanz-Eigenschaften bieten zahlreiche technologische Anwendungen zur Energieerzeugung und Effizienz, [4] beispielsweise zur Kühlung von Photovoltaikzellen und Gebäuden. Diese Anwendungen erfordern einen hohen Emissionsgrad im Frequenzbereich, der dem atmosphärischen Transparenzfenster im Wellenlängenbereich von 8 bis 13 Mikrometern entspricht. Ein selektiver Emitter, der in diesem Bereich stark strahlt, ist somit dem klaren Himmel ausgesetzt und ermöglicht die Verwendung des Weltraums als Wärmesenke mit sehr niedriger Temperatur. [5]
Die personalisierte Kühltechnologie ist ein anderes Beispiel für eine Anwendung, bei der optische Spektralselektivität vorteilhaft sein kann. Eine herkömmliche persönliche Kühlung wird typischerweise durch Wärmeleitung und Konvektion erreicht. Der menschliche Körper ist jedoch ein sehr effizienter Strahler für Infrarotstrahlung, der einen zusätzlichen Kühlmechanismus bietet. Die meisten herkömmlichen Gewebe sind für Infrarotstrahlung undurchlässig und blockieren die Wärmeemission des Körpers in die Umgebung. Es wurden Gewebe für personalisierte Kühlanwendungen vorgeschlagen, die es ermöglichen, dass die Infrarotübertragung direkt durch die Kleidung geht, während sie bei sichtbaren Wellenlängen undurchsichtig ist. Stoffe, die im Infrarot transparent sind, können Körperwärme mit einer Geschwindigkeit abgeben, die die Belastung energieaufwändiger Klimaanlagen erheblich reduziert. [ Zitat benötigt ]
Eigenschaften edit ]
Es gibt vier Haupteigenschaften, die die Wärmestrahlung charakterisieren (im Grenzbereich des Fernfelds):
- Die Wärmestrahlung, die ein Körper bei einer beliebigen Temperatur aussendet, besteht aus einem breiten Frequenzbereich. Die Häufigkeitsverteilung ist durch das Plancksche Gesetz der Schwarzkörperstrahlung für einen idealisierten Emitter gegeben, wie in dem Diagramm oben gezeigt.
- Der dominante Frequenzbereich (oder Farbbereich) der emittierten Strahlung verschiebt sich zu höheren Frequenzen als die Temperatur des Emitters erhöht sich. Beispielsweise strahlt ein red hot -Objekt hauptsächlich in den langen Wellenlängen (rot und orange) des sichtbaren Bandes. Wenn es weiter erhitzt wird, beginnt es auch, erkennbare Mengen an grünem und blauem Licht zu emittieren, und die Ausbreitung der Frequenzen im gesamten sichtbaren Bereich lässt es für das menschliche Auge weiß erscheinen; Es ist weiß heiß . Selbst bei einer weiß-heißen Temperatur von 2000 K befindet sich 99% der Energie der Strahlung noch im Infrarot. Dies bestimmt das Wiener Verschiebungsgesetz. Im Diagramm bewegt sich der Spitzenwert für jede Kurve mit zunehmender Temperatur nach links.
- Die Gesamtstrahlungsmenge aller Frequenzen steigt mit steigender Temperatur steil an; es wächst als T 4 wobei T die absolute Körpertemperatur ist. Ein Objekt mit der Temperatur eines Küchenofens, etwa die doppelte Raumtemperatur auf der absoluten Temperaturskala (600 K vs. 300 K), strahlt 16-mal so viel Leistung pro Flächeneinheit aus. Ein Objekt mit der Temperatur des Glühfadens in einer Glühlampe - etwa 3000 K oder das Zehnfache der Raumtemperatur - strahlt 10.000-mal so viel Energie pro Flächeneinheit aus. Die Gesamtstrahlungsintensität eines schwarzen Körpers steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur, ausgedrückt im Stefan-Boltzmann-Gesetz. In der Grafik wächst die Fläche unter jeder Kurve mit zunehmender Temperatur schnell an.
- Die Rate der elektromagnetischen Strahlung, die bei einer bestimmten Frequenz emittiert wird, ist proportional zu dem Absorptionsbetrag, den die Quelle erfahren würde, eine Eigenschaft, die als Reziprozität bezeichnet wird. Daher strahlt eine Oberfläche, die mehr rotes Licht absorbiert, thermisch mehr rotes Licht aus. Dieses Prinzip gilt für alle Eigenschaften der Welle, einschließlich Wellenlänge (Farbe), Richtung, Polarisation und sogar Kohärenz, so dass es durchaus möglich ist, Wärmestrahlung zu haben, die polarisiert, kohärent und gerichtet ist, obwohl die polarisierten und kohärenten Formen recht gut sind selten in der Natur weit weg von Quellen (in Bezug auf die Wellenlänge). Weitere Informationen zu dieser Qualifizierung finden Sie im Abschnitt unten.
Nahfeld und Fernfeld [ edit ]
Die allgemeinen Eigenschaften der Wärmestrahlung, die im Planck'schen Gesetz beschrieben werden, gelten für das lineare Prinzip Die Abmessungen aller betrachteten Teile sowie die Krümmungsradien aller Oberflächen sind im Vergleich zur Wellenlänge des betrachteten Strahls groß (typischerweise von 8 bis 25 Mikrometer für den Emitter bei 300 K). Tatsächlich berücksichtigt die Wärmestrahlung, wie oben diskutiert, nur Strahlungswellen (Fernfeld oder elektromagnetische Strahlung). Für kleinere Entfernungen von der Wärmequelle oder -oberfläche (Nahfeld-Wärmestrahlung) muss ein ausgefeilterer Rahmen mit elektromagnetischer Theorie verwendet werden. Obwohl Fernfeld-Wärmestrahlung in Entfernungen von Oberflächen von mehr als einer Wellenlänge im Allgemeinen nicht in irgendeinem Ausmaß kohärent ist, kann Nahfeld-Wärmestrahlung (dh Strahlung in Entfernungen eines Bruchteils verschiedener Strahlungswellenlängen) einen Grad von 10 zeigen zeitliche und räumliche Kohärenz [6]
Das Plancksche Gesetz der Wärmestrahlung wurde in den letzten Jahrzehnten durch Vorhersagen und erfolgreiche Demonstrationen der Strahlungswärmeübertragung zwischen Objekten, die durch nanoskalige Lücken voneinander getrennt sind, in Frage gestellt Gesetzesvorhersagen. Diese Abweichung ist besonders stark (bis zu mehreren Größenordnungen), wenn der Emitter und der Absorber Oberflächen-Polariton-Modi unterstützen, die durch den Spalt koppeln können, um kalte und heiße Objekte zu trennen. Um jedoch die durch Oberflächenpolariton vermittelte Strahlungswärmeübertragung im Nahfeld zu nutzen, müssen die beiden Objekte durch ultradünne Lücken in der Größenordnung von Mikrometern oder sogar Nanometern getrennt werden. Diese Einschränkung verkompliziert praktische Vorrichtungsdesigns erheblich.
Eine andere Möglichkeit zur Modifizierung des thermischen Emissionsspektrums des Objekts besteht in der Verringerung der Dimensionalität des Emitters selbst [4]. Dieser Ansatz baut auf dem Konzept auf, Elektronen in Quantenmulden, Drähten und Punkten einzuschränken und die thermische Emission durch Konstruieren begrenzter Photonenzustände in zwei- und dreidimensionalen Potentialfallen, einschließlich Mulden, Drähten und Punkten, zu gestalten. Eine solche räumliche Begrenzung konzentriert die Photonenzustände und verbessert die thermische Emission bei ausgewählten Frequenzen. [7] Um den erforderlichen Grad an Photoneneinschränkung zu erreichen, sollten die Abmessungen der strahlenden Objekte in der Größenordnung der thermischen Wellenlänge liegen oder darunter liegen, die vom Planckschen Gesetz vorhergesagt wird. Am wichtigsten ist, dass das Emissionsspektrum von thermischen Bohrlöchern, Drähten und Punkten nicht nur im Nahfeld, sondern auch im Fernfeld von den Planckschen Vorhersagen abweicht, was den Anwendungsbereich erheblich erweitert.
Subjektive Farbe für das Auge eines Schwarzkörper-Wärmestrahlers [ edit
| ° C (° F) | Subjektive Farbe [8] |
|---|---|
| 480 ° C (896 ° F) | schwaches rotes Glühen |
| 580ºC (1.076ºF) | dunkelrot |
| 730ºC (1.350ºF) | leuchtend rot, leicht orange |
| 930 ° C (1710 ° F) | leuchtendes Orange |
| 1100 ° C (2,010 ° F) | schwach gelbliches Orange |
| 1.300 ° C (2370 ° F) | gelblichweiß |
| > 1.400 ° C | Weiß (aus der Ferne durch die Atmosphäre gesehen gelblich) |
Ausgewählte Strahlungswärmeströme [ edit ]
Die Zeit bis zu einem Schaden durch Einwirkung von Strahlungswärme hängt von der Abgabegeschwindigkeit der Wärme ab. [9] Strahlungswärmefluss und Effekte: [10]
(1 W / cm 2 = 10 kW / m 2 )
| kW / m 2 | Wirkung |
|---|---|
| 170 | Maximaler Fluss, gemessen in einem Nachlüftungsraum |
| 80 | Prüfung der Wärmeschutzleistung für persönliche Schutzausrüstung |
| 52 | Faserplatte zündet nach 5 Sekunden |
| 29 | Holz entzündet sich zu gegebener Zeit |
| 20 | Typischer Beginn eines Überschlags auf Fußbodenebene eines Wohnraums |
| 16 | Menschliche Haut: Plötzliche Schmerzen und Verbrennungsblasen zweiten Grades nach 5 Sekunden |
| 12.5 | Holz erzeugt durch Pyrolyse entzündbare flüchtige Bestandteile |
| 10.4 | Menschliche Haut: Schmerzen nach 3 Sekunden, Verbrennungsblasen zweiten Grades nach 9 Sekunden |
| 6.4 | Menschliche Haut: Verbrennungsblasen zweiten Grades nach 18 Sekunden |
| 4.5 | Menschliche Haut: Verbrennungsblasen zweiten Grades nach 30 Sekunden |
| 2.5 | Menschliche Haut: Verätzungen bei längerer Exposition, Strahlungseinfluss, der typischerweise bei der Brandbekämpfung auftritt |
| 1.4 | Sonnenlicht, Sonnenbrand möglicherweise innerhalb von 30 Minuten. Hinweis Sonnenbrand ist KEINE thermische Verbrennung, er wird durch DNA-Schäden durch ultraviolette Strahlung verursacht. |
Energieaustausch [ edit ]
Die Wärmestrahlung ist einer der drei Hauptmechanismen der Wärmeübertragung. Es ist die Emission eines Spektrums elektromagnetischer Strahlung aufgrund der Temperatur eines Objekts. Andere Mechanismen sind Konvektion und Leitung. Das Wechselspiel des Energieaustausches durch Wärmestrahlung wird durch folgende Gleichung charakterisiert:
Hier steht für die spektrale Absorptionskomponente spektrale Reflexionskomponente und ) der elektromagnetischen Strahlung. Die spektrale Absorption ist gleich dem Emissionsgrad ; Diese Beziehung ist als Kirchhoffs Gesetz der Wärmestrahlung bekannt. Ein Objekt wird als schwarzer Körper bezeichnet, wenn für alle Frequenzen die folgende Formel gilt:
In einer praktischen Situation und bei Raumtemperatur wird der Mensch durch Wärmestrahlung im Infrarotbereich zusätzlich zu der durch die Luftzufuhr (durch gleichzeitige Konvektion oder andere Luftbewegung wie Zugluft) verloren gegangenen Energie erheblich Energie verlieren. Der Verlust der Wärmeenergie wird teilweise zurückgewonnen, indem die Wärmestrahlung von Wänden oder anderen Umgebungen absorbiert wird. (Wärme, die durch Wärmeleitung gewonnen wird, würde für Lufttemperaturen auftreten, die höher als die Körpertemperatur sind.) Andernfalls wird die Körpertemperatur aufgrund des internen Stoffwechsels durch erzeugte Wärme gehalten. Die menschliche Haut hat ein Emissionsvermögen von sehr nahe an 1,0. [11] Unter Verwendung der nachstehenden Formeln wird ein Mensch gezeigt, der etwa 2 m² Oberfläche hat und eine Temperatur von etwa 307 K kontinuierlich ungefähr 1000 Watt ausstrahlt . Wenn sich Personen im Haus befinden und 296 K von Oberflächen umgeben sind, erhalten sie etwa 900 Watt von der Wand, der Decke und anderen Umgebungen zurück, sodass der Nettoverlust nur etwa 100 Watt beträgt. Diese Wärmeübertragungsschätzungen hängen stark von extrinsischen Variablen ab, z. B. vom Tragen von Kleidung, d. Nur wirklich graue Systeme (relatives äquivalentes Emissionsvermögen / Absorptionsvermögen und keine gerichtete Durchlässigkeitsabhängigkeit in alle Kontrollvolumenkörper berücksichtigt) können durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz vernünftige stationäre Wärmeflussschätzungen erzielen. Es ist fast unmöglich, sich dieser "ideal kalkulierbaren" Situation zu stellen (obwohl gewöhnliche Engineering-Verfahren die Abhängigkeit dieser unbekannten Variablen aufgeben und "davon ausgehen", dass dies der Fall ist). Optimistisch werden diese "grauen" Näherungen an echte Lösungen heranreichen, da die meisten Abweichungen von Stefan-Boltzmann-Lösungen sehr gering sind (insbesondere in den meisten STP-Laborumgebungen).
Wenn Objekte weiß erscheinen (reflektierend im visuellen Spektrum), sind sie im thermischen Infrarot nicht notwendigerweise gleichreflektierend (und daher nicht emittierend) - siehe die Abbildung links. Die meisten Haushaltsheizkörper sind weiß lackiert. Dies ist jedoch sinnvoll, da sie nicht heiß genug sind, um eine signifikante Wärmemenge abzugeben, und sie sind nicht als Wärmestrahler konzipiert - sie sind eigentlich Konvektoren, und ein mattschwarzes Lackieren würde keinen Unterschied machen ihre Wirksamkeit. Weiße Farben auf Acryl- und Urethanbasis haben einen 93% igen Schwarzkörper-Strahlungswirkungsgrad bei Raumtemperatur [12] (der Begriff "schwarzer Körper" entspricht nicht immer der visuell wahrgenommenen Farbe eines Objekts). Diese Materialien, die nicht der Vorschrift "schwarze Farbe = hohes Emissionsvermögen / Absorptionsvermögen" folgen, haben höchstwahrscheinlich eine funktionale Abhängigkeit von Spektralemissivität / Absorptionsvermögen.
Die Berechnung der Strahlungswärmeübertragung zwischen Objektgruppen, einschließlich eines Hohlraums oder einer Umgebung, erfordert die Lösung eines Satzes simultaner Gleichungen unter Verwendung der Radiosity-Methode. Bei diesen Berechnungen wird die geometrische Konfiguration des Problems auf einen Satz von Zahlen, Sichtfaktoren genannt, destilliert, die den Strahlungsanteil angeben, der eine bestimmte Oberfläche verlässt, die auf eine andere spezifische Oberfläche trifft. Diese Berechnungen sind in den Bereichen Solarthermie, Kessel- und Ofendesign und Raytracing-Computergrafik wichtig.
Ein Vergleich eines Wärmebildes (oben) und einer gewöhnlichen Fotografie (unten) zeigt, dass ein Müllsack transparent ist, Glas (die Brille des Mannes) im langwelligen Infrarot undurchsichtig ist.
Eine selektive Oberfläche kann verwendet werden wenn der Sonne Energie entzogen wird. Wenn zum Beispiel ein Gewächshaus gebaut wird, bestehen das Dach und die Wände zum größten Teil aus Glas. Glas ist im sichtbaren Bereich transparent (ca. 0,4 µm <λ <0.8 µm) and near-infrared wavelengths, but opaque to mid- to far-wavelength infrared (approximately λ> 3 µm). [13][14] Daher lässt Glas Strahlung im sichtbaren Bereich ein, so dass wir durchschauen können, aber keine Strahlung wird von Objekten bei oder nahe der Raumtemperatur abgegeben. Das fängt, was wir als Wärme empfinden. Dies wird als Treibhauseffekt bezeichnet und kann beobachtet werden, wenn man in ein Auto fährt, das in der Sonne gesessen hat. [ Zitat benötigt ] Selektive Oberflächen können auch an Sonnenkollektoren verwendet werden. Wir können herausfinden, wie hilfreich eine selektive Oberflächenbeschichtung ist, wenn wir die Gleichgewichtstemperatur einer durch Sonneneinstrahlung erwärmten Platte betrachten. Wenn die Platte eine Sonneneinstrahlung von 1350 W / m² erhält (Minimum ist am 4. Juli 1325 W / m² und am 3. Januar Maximum 1418 W / m²), so ist die Temperatur der Platte, bei der die Strahlung austritt, gleich der Temperatur Die von der Platte empfangene Strahlung beträgt 393 K (248 ° F). Wenn die Platte eine selektive Oberfläche mit einem Emissionsgrad von 0,9 und einer Grenzwellenlänge von 2,0 um aufweist, beträgt die Gleichgewichtstemperatur etwa 1250 K (1790 ° F). Bei den Berechnungen wurde die konvektive Wärmeübertragung vernachlässigt und die Sonneneinstrahlung, die in den Wolken / der Atmosphäre absorbiert wurde, der Einfachheit halber vernachlässigt. Die Theorie ist für ein tatsächliches Problem immer noch dieselbe.
Um die Wärmeübertragung von einer Oberfläche wie einem Glasfenster zu reduzieren, kann ein klarer reflektierender Film mit einer Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen auf der Oberfläche der Oberfläche angeordnet werden. "Beschichtungen mit niedriger Emittanz (Low-E) sind mikroskopisch dünne, praktisch unsichtbare Metall- oder Metalloxidschichten, die auf einer Fenster- oder Oberlichtverglasungsoberfläche abgeschieden werden, um vor allem den U-Faktor durch Unterdrückung des Strahlungswärmeflusses zu reduzieren." [15] Durch Hinzufügen dieser Option Beim Beschichten begrenzen wir die Strahlungsmenge, die das Fenster verlässt, wodurch die Wärmemenge erhöht wird, die im Fenster verbleibt.
Da elektromagnetische Strahlung einschließlich Wärmestrahlung sowohl Impuls als auch Energie überträgt, induziert Wärmestrahlung auch sehr kleine Kräfte auf die strahlenden oder absorbierenden Objekte. Normalerweise sind diese Kräfte zu vernachlässigen, sie müssen jedoch berücksichtigt werden, wenn man die Raumfahrtnavigation in Betracht zieht. Die Pioneer-Anomalie, bei der die Bewegung des Flugzeugs nur geringfügig von der von der Schwerkraft erwarteten Bewegung abwich, wurde schließlich auf die asymmetrische Wärmestrahlung des Raumfahrzeugs zurückgeführt. In ähnlicher Weise sind die Umlaufbahnen der Asteroiden gestört, da der Asteroid die Sonnenstrahlung auf der der Sonne zugewandten Seite absorbiert, die Energie jedoch in einem anderen Winkel wieder emittiert, da die Drehung des Asteroiden die warme Oberfläche aus der Sicht der Sonne (YORP bewirken).
Strahlungsleistung [ edit ]
Wärmestrahlungsstärke eines schwarzen Körpers pro Einheit Fläche der Abstrahlfläche pro Raumwinkeleinheit und pro Frequenzeinheit ist durch das Plancksche Gesetz gegeben als:
oder anstelle der Frequenz pro Einheit als Wellenlänge als
Diese Formel folgt mathematisch aus der Berechnung der spektralen Verteilung der Energie in dem quantisierten elektromagnetischen Feld das sich in einem vollständigen thermischen Gleichgewicht mit dem strahlenden Objekt befindet. Das Plancks-Gesetz zeigt, dass die Strahlungsenergie mit der Temperatur zunimmt, und erklärt, warum sich der Peak eines Emissionsspektrums bei höheren Temperaturen zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Es kann auch festgestellt werden, dass bei kürzeren Wellenlängen emittierte Energie mit der Temperatur relativ zu längeren Wellenlängen schneller zunimmt. [16] Die Gleichung wird als unendliche Summe über alle möglichen Frequenzen in einem Halbkugelbereich abgeleitet [17]. Die Energie von jedem Photon wird mit multipliziert Anzahl der verfügbaren Zustände bei dieser Frequenz und die Wahrscheinlichkeit, dass jeder dieser Zustände belegt wird.
Durch Integration der obigen Gleichung über wird die durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz gegebene Leistung erhalten als:
wobei die Konstante der Proportionalität ist die Stefan-Boltzmann-Konstante und ist die Abstrahlfläche.
Die Wellenlänge für die die Emissionsintensität am höchsten ist, wird durch das Wiensche Verschiebungsgesetz gegeben als:
![] { displaystyle lambda _ { text {max}} = { frac {b} {T}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cf5c9c4bae9e811fd33cdcc49fc06a464d47f4d8)
Bei Oberflächen, die keine schwarzen Körper sind, muss der Emissionsfaktor (in der Regel frequenzabhängig) [berücksichtigt werden.] 19659260][1945
. Dieser Faktor muss vor der Integration mit der Strahlungsspektrum-Formel multipliziert werden. Wenn es als Konstante angenommen wird, kann die resultierende Formel für die Leistungsausgabe in einer Weise geschrieben werden, die 
] Diese Art von theoretischem Modell mit einem frequenzunabhängigen Emissionsgrad, der niedriger ist als der eines perfekten schwarzen Körpers, wird häufig als grauer Körper bezeichnet. Für das frequenzabhängige Emissionsvermögen hängt die Lösung für die integrierte Leistung von der funktionalen Form der Abhängigkeit ab, obwohl dies im Allgemeinen nicht einfach ist. Wenn das Emissionsvermögen des Körpers um die Peak-Emissionswellenlänge ungefähr konstant ist, funktioniert das Graukörpermodell praktisch, da das Gewicht der Kurve um die Peak-Emission das Integral dominiert.
Konstanten [ edit ]
Definitionen von Konstanten, die in den obigen Gleichungen verwendet werden:
Variablen [ edit ]
Definitionen von Variablen mit Beispielwerten:
| Absolute Temperatur | Für Einheiten, die oben verwendet wurden, müssen sie in Kelvin sein (z. B. durchschnittliche Oberflächentemperatur auf der Erde = 288 K). | |
| | Oberfläche | A Quader = 2 ab + 2 v. Chr. + 2 ac ; A A-Zylinder = 2 π · r ( h + r ); A Kugel = 4 π · r2 |
Radiative heat transfer[edit]
The net radiative heat transfer from one surface to another is the radiation leaving the first surface for the other minus that arriving from the second surface.
- For black bodies, the rate of energy transfer from surface 1 to surface 2 is:
where is surface area, is energy flux (the rate of emission per unit surface area) and is the view factor from surface 1 to surface 2. Applying both the reciprocity rule for view factors, and the Stefan–Boltzmann law, yields:
- For two grey-body surfaces forming an enclosure, the heat transfer rate is:
where and are the emissivities of the surfaces.[13]
Formulas for radiative heat transfer can be derived for more particular or more elaborate physical arrangements, such as between parallel plates, concentric spheres and the internal surfaces of a cylinder.[13]
See also[edit]
References[edit]
- ^ K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p.278
- ^ K. Huang, Statistical Mechanics (2003), p.280
- ^ a b S. Blundell, K. Blundell (2006). Concepts in Thermal Physics. Oxford University Press. p. 247. ISBN 978-0-19-856769-1.
- ^ a b Fan, Shanhui; Li, Wei (2018-06-11). "Nanophotonic control of thermal radiation for energy applications [Invited]". Optics Express. 26 (12): 15995–16021. doi:10.1364/OE.26.015995. ISSN 1094-4087.
- ^ Zhai, Yao; Ma, Yaoguang; David, Sabrina N.; Zhao, Dongliang; Lou, Runnan; Tan, Gang; Yang, Ronggui; Yin, Xiaobo (10 March 2017). "Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling". Science. 355 (6329): 1062–1066. Bibcode:2017Sci...355.1062Z. doi:10.1126/science.aai7899. ISSN 0036-8075. PMID 28183998. Archived from the original on 6 December 2017.
- ^ Greffet, Jean-Jacques; Henkel, Carsten (2007). "Coherent thermal radiation". Contemporary Physics. 48 (4): 183–194. Bibcode:2007ConPh..48..183G. doi:10.1080/00107510701690380.
- ^ Rephaeli, Eden; Raman, Aaswath; Fan, Shanhui (2013). "Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling". Nano Letters. 13 (4): 1457–1461. Bibcode:2013NanoL..13.1457R. doi:10.1021/nl4004283. PMID 23461597.
- ^ "Wayback Machine". 21 July 2011. Archived from the original on 21 July 2011.
- ^ Furtak, M.; Silecky, L. (2012). "Evaluation of Onset to Second Degree Burn Energy in Arc Flash, IAEI".
- ^ John J. Lentini - Scientific Protocols for Fire Investigation, CRC 2006, ISBN 0849320828, table from NFPA 921, Guide for Fire and Explosion Investigations
- ^ R. Bowling Barnes (24 May 1963). "Thermography of the Human Body Infrared-radiant energy provides new concepts and instrumentation for medical diagnosis". Science. 140 (3569): 870–877. Bibcode:1963Sci...140..870B. doi:10.1126/science.140.3569.870. PMID 13969373.
- ^ S. Tanemura, M. Tazawa, P. Jing, T. Miki, K. Yoshimura, K. Igarashi, M. Ohishi, K. Shimono, M. Adachi,
Optical Properties and Radiative Cooling Power of White Paints,"Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2 January 2007. Retrieved 24 January 2010.CS1 maint: Archived copy as title (link)
ISES 1999 Solar World Congress - ^ a b c d Heat and Mass Transfer, Yunus A. Cengel and Afshin J. Ghajar, 4th Edition
- ^ Infrared#Different regions in the infrared Short-wavelength infrared is 1.4-3µm, mid-wavelength infrared is 3-8µm
- ^ The Efficient Windows Collaborative: Window Technologies Archived 26 April 2011 at the Wayback Machine
- ^ Shao, Gaofeng; et al. (2019). "Improved oxidation resistance of high emissivity coatings on fibrous ceramic for reusable space systems". Corrosion Science. 146: 233–246. doi:10.1016/j.corsci.2018.11.006.CS1 maint: Explicit use of et al. (link)
- ^ "Stefan–Boltzmann law", Wikipedia2018-08-31retrieved 2018-08-31
No comments:
Post a Comment