Värmestrålning

Toppvåglängden och den totala utstrålade mängden varierar med temperaturen enligt Wiens förskjutningslag . Även om detta visar relativt höga temperaturer, gäller samma förhållande för alla temperaturer ner till absoluta nollpunkten.

Termisk strålning i synligt ljus kan ses på detta heta metallverk. Dess emission i infraröd är osynlig för det mänskliga ögat. Infraröda kameror kan fånga denna infraröda emission (se termografi ).

Termisk strålning är elektromagnetisk strålning som genereras av termisk rörelse av partiklar i materia . Termisk strålning alstras när värme från rörelsen av laddningar i materialet (elektroner och protoner i vanliga former av materia) omvandlas till elektromagnetisk strålning. All materia med en temperatur som är högre än absolut noll avger värmestrålning. Vid rumstemperatur sker det mesta av emissionen i det infraröda (IR) spektrumet. Partikelrörelser resulterar i laddningsacceleration eller dipolsvängning som producerar elektromagnetisk strålning.

Infraröd strålning som sänds ut av djur (detekterbar med en infraröd kamera ) och kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning är exempel på termisk strålning.

Om ett strålningsobjekt uppfyller de fysiska egenskaperna hos en svart kropp i termodynamisk jämvikt kallas strålningen för svartkroppsstrålning . Plancks lag beskriver spektrumet av svartkroppsstrålning, som enbart beror på objektets temperatur. Wiens förskjutningslag bestämmer den mest sannolika frekvensen av den utsända strålningen, och Stefan-Boltzmann-lagen anger strålningsintensiteten.

Termisk strålning är också en av de grundläggande mekanismerna för värmeöverföring .

Översikt

Termisk strålning är emissionen av elektromagnetiska vågor från all materia som har en temperatur som är högre än absoluta nollpunkten . Termisk strålning reflekterar omvandlingen av termisk energi till elektromagnetisk energi . Termisk energi är den kinetiska energin av slumpmässiga rörelser av atomer och molekyler i materia. All materia med en temperatur som inte är noll är sammansatt av partiklar med kinetisk energi. Dessa atomer och molekyler är sammansatta av laddade partiklar, dvs protoner och elektroner . De kinetiska interaktionerna mellan materiepartiklar resulterar i laddningsacceleration och dipolsvängning . Detta resulterar i elektrodynamisk generering av kopplade elektriska och magnetiska fält, vilket resulterar i emission av fotoner , som strålar bort energi från kroppen. Elektromagnetisk strålning, inklusive synligt ljus, kommer att spridas i det oändliga i vakuum .

Karakteristiken för termisk strålning beror på olika egenskaper hos ytan från vilken den kommer, inklusive dess temperatur, dess spektrala emissivitet , som uttrycks av Kirchhoffs lag . Strålningen är inte monokromatisk, dvs den består inte bara av en enda frekvens, utan består av ett kontinuerligt spektrum av fotonenergier, dess karaktäristiska spektrum. Om den utstrålande kroppen och dess yta är i termodynamisk jämvikt och ytan har perfekt absorptionsförmåga vid alla våglängder, karakteriseras den som en svart kropp . En svart kropp är också en perfekt sändare. Strålningen från sådana perfekta sändare kallas svartkroppsstrålning . Förhållandet mellan någon kropps emission i förhållande till den för en svart kropp är kroppens emissionsförmåga , så att en svart kropp har en emissivitet av enhet (dvs. en).

Spektral respons av två färger och en spegelyta, i det synliga och det infraröda. Från NASA.

Absorptivitet, reflektivitet och emissivitet för alla kroppar är beroende av strålningens våglängd. På grund av reciprocitet är absorptionsförmåga och emissivitet för en viss våglängd lika vid jämvikt – en bra absorbator är nödvändigtvis en bra emitter, och en dålig absorbator är en dålig emitter. Temperaturen bestämmer våglängdsfördelningen för den elektromagnetiska strålningen. Till exempel är den vita färgen i diagrammet till höger starkt reflekterande för synligt ljus (reflektionsförmåga ca 0,80), och verkar så vit för det mänskliga ögat på grund av reflekterande solljus, som har en toppvåglängd på ca 0,5 mikrometer. Emellertid är dess emissivitet vid en temperatur på cirka −5 °C (23 °F), en toppvåglängd på cirka 12 mikrometer, 0,95. För termisk strålning ser det således ut som svart.

Fördelningen av makt som en svart kropp avger med varierande frekvens beskrivs av Plancks lag . Vid varje given temperatur finns det en frekvens f _max vid vilken den avgivna effekten är maximal. Wiens förskjutningslag, och det faktum att frekvensen är omvänt proportionell mot våglängden, indikerar att toppfrekvensen f _max är proportionell mot den svarta kroppens absoluta temperatur T. Solens fotosfär, vid en temperatur på cirka 6000 K, sänder ut strålning huvudsakligen i den (människan-)synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet. Jordens atmosfär är delvis genomskinlig för synligt ljus, och ljuset som når ytan absorberas eller reflekteras. Jordens yta sänder ut den absorberade strålningen, vilket approximerar beteendet hos en svart kropp vid 300 K med spektraltopp vid f _max . Vid dessa lägre frekvenser är atmosfären i stort sett ogenomskinlig och strålning från jordens yta absorberas eller sprids av atmosfären. Även om cirka 10 % av denna strålning försvinner ut i rymden, absorberas det mesta och återutsänds sedan av atmosfäriska gaser. Det är denna spektrala selektivitet i atmosfären som är ansvarig för den planetariska växthuseffekten , vilket bidrar till global uppvärmning och klimatförändringar i allmänhet ( men också kritiskt bidrar till klimatstabilitet när atmosfärens sammansättning och egenskaper inte förändras).

Glödlampan har ett spektrum som överlappar solens och jordens svarta kroppsspektra . Några av de fotoner som emitteras av en glödlampa av volfram glödlampa vid 3000 K är i det synliga spektrumet. Det mesta av energin är associerad med fotoner med längre våglängder; dessa hjälper inte en person att se, men överför ändå värme till omgivningen, vilket kan härledas empiriskt genom att observera en glödlampa. Närhelst EM-strålning sänds ut och sedan absorberas, överförs värme. Denna princip används i mikrovågsugnar , laserskärning och RF-hårborttagning .

Till skillnad från ledande och konvektiva former av värmeöverföring kan värmestrålning koncentreras på en liten plats genom att använda reflekterande speglar, vilket koncentrerad solenergi drar fördel av. Istället för speglar Fresnel-linser också användas för att koncentrera strålningsenergi . (I princip kan vilken typ av lins som helst användas, men endast Fresnel-linsdesignen är praktisk för mycket stora linser.) Båda metoderna kan användas för att snabbt förånga vatten till ånga med solljus. Solljuset som reflekteras från speglar värmer till exempel PS10 Solar Power Plant , och under dagen kan det värma vatten till 285 °C (558 K; 545 °F).

Yteffekter

Ljusare färger och även vita och metalliska ämnen absorberar mindre av det upplysande ljuset och värmer som ett resultat mindre upp; men annars gör färgen liten skillnad när det gäller värmeöverföring mellan ett föremål vid vardagstemperaturer och dess omgivning, eftersom de dominerande emitterade våglängderna inte är i närheten av det synliga spektrumet, utan snarare i det avlägsna infraröda. Emissiviteter vid dessa våglängder är i stort sett inte relaterade till visuella emissiviteter (synliga färger); i det bortre infraröda området har de flesta föremål hög emissivitet. Sålunda, förutom i solljus, gör färgen på kläder liten skillnad vad gäller värme; på samma sätt gör färgen på husen liten skillnad för värmen förutom när den målade delen är solbelyst.

Det främsta undantaget från detta är glänsande metallytor, som har låg emissivitet både i de synliga våglängderna och i det avlägsna infraröda området. Sådana ytor kan användas för att minska värmeöverföringen i båda riktningarna; ett exempel på detta är flerskiktsisoleringen som används för att isolera rymdfarkoster.

Fönster med låg emissivitet i hus är en mer komplicerad teknik, eftersom de måste ha låg emissivitet vid termiska våglängder samtidigt som de förblir transparenta för synligt ljus.

Nanostrukturer med spektralt selektiva termiska emittansegenskaper erbjuder många tekniska tillämpningar för energigenerering och effektivitet, t.ex. för strålningskylning på dagtid av solceller och byggnader. Dessa applikationer kräver hög emittans i frekvensområdet som motsvarar det atmosfäriska transparensfönstret i 8 till 13 mikron våglängdsområde. En selektiv sändare som strålar starkt i detta område exponeras således för den klara himlen, vilket möjliggör användning av det yttre rymden som en kylfläns med mycket låg temperatur.

Personlig kylteknik är ett annat exempel på en applikation där optisk spektral selektivitet kan vara fördelaktigt. Konventionell personlig kylning uppnås vanligtvis genom värmeledning och konvektion. Men människokroppen är en mycket effektiv sändare av infraröd strålning, vilket ger en extra kylmekanism. De flesta konventionella tyger är ogenomskinliga för infraröd strålning och blockerar värmeemission från kroppen till omgivningen. Tyger för personliga kylapplikationer har föreslagits som gör att infraröd transmission kan passera direkt genom kläder, samtidigt som de är ogenomskinliga vid synliga våglängder, vilket gör att bäraren kan förbli svalare.

Egenskaper

Det finns fyra huvudegenskaper som kännetecknar termisk strålning (i gränsen för fjärrfältet):

Termisk strålning som sänds ut av en kropp vid vilken temperatur som helst består av ett brett spektrum av frekvenser. Frekvensfördelningen ges av Plancks lag för svartkroppsstrålning för en idealiserad sändare som visas i diagrammet överst.
Det dominerande frekvensområdet (eller färgområdet) för den emitterade strålningen skiftar till högre frekvenser när temperaturen på sändaren ökar. Till exempel strålar ett glödhett föremål huvudsakligen i de långa våglängderna (röd och orange) av det synliga bandet. Om den värms upp ytterligare börjar den också avge märkbara mängder grönt och blått ljus, och spridningen av frekvenser i hela det synliga området gör att det ser vitt ut för det mänskliga ögat; det är vitvarmt . Även vid en vit-het temperatur på 2000 K finns fortfarande 99 % av strålningsenergin i det infraröda. Detta bestäms av Wiens förskjutningslag . I diagrammet flyttas toppvärdet för varje kurva åt vänster när temperaturen ökar.
Den totala mängden strålning av alla frekvenser ökar brant när temperaturen stiger; den växer som T ⁴ , där T är kroppens absoluta temperatur. Ett föremål med en köksugns temperatur, ungefär dubbelt så hög rumstemperatur på skalan för absoluta temperaturer (600 K mot 300 K), strålar ut 16 gånger så mycket effekt per ytenhet. Ett föremål vid glödtrådens temperatur i en glödlampa — ungefär 3 000 K, eller 10 gånger rumstemperatur — strålar ut 10 000 gånger så mycket energi per ytenhet. Den totala strålningsintensiteten hos en svart kropp stiger som fjärde potensen av den absoluta temperaturen, vilket uttrycks av Stefan-Boltzmann-lagen . I tomten växer ytan under varje kurva snabbt när temperaturen ökar.
Hastigheten för elektromagnetisk strålning som sänds ut vid en given frekvens är proportionell mot mängden absorption som den skulle uppleva av källan, en egenskap som kallas reciprocitet . Således strålar en yta som absorberar mer rött ljus termiskt mer rött ljus. Denna princip gäller alla egenskaper hos vågen, inklusive våglängd (färg), riktning, polarisation och till och med koherens , så att det är fullt möjligt att ha termisk strålning som är polariserad, koherent och riktad, även om polariserade och koherenta former är ganska sällsynt i naturen långt från källor (i termer av våglängd). Se avsnittet nedan för mer om denna kvalifikation.

När det gäller fotonstatistik lyder termiskt ljus Super-Poissonian-statistik .

Närfält och fjärrfält

De allmänna egenskaperna hos termisk strålning som beskrivs av Plancks lag gäller om den linjära dimensionen av alla delar som beaktas, såväl som krökningsradier för alla ytor är stora jämfört med våglängden för den betraktade strålen (vanligtvis från 8-25 mikrometer för sändare vid 300 K). Termisk strålning, som diskuterats ovan, tar faktiskt bara hänsyn till strålningsvågor (fjärrfält eller elektromagnetisk strålning ). Ett mer sofistikerat ramverk som involverar elektromagnetisk teori måste användas för mindre avstånd från den termiska källan eller ytan ( närfältsstrålningsvärmeöverföring) . Till exempel, även om termisk strålning från fjärrfält på avstånd från ytor med mer än en våglängd i allmänhet inte är koherent i någon utsträckning, kan värmestrålning från närfält (dvs. strålning på avstånd av en bråkdel av olika strålningsvåglängder) uppvisa en grad av både tidsmässig och rumslig koherens.

Plancks lag om termisk strålning har utmanats under de senaste decennierna av förutsägelser och framgångsrika demonstrationer av strålningsvärmeöverföringen mellan objekt åtskilda av nanoskala gap som avviker avsevärt från lagförutsägelserna. Denna avvikelse är särskilt stark (upp till flera storleksordningar) när emittern och absorbatorn stödjer ytpolaritonlägen som kan kopplas genom gapet som separerar kalla och varma föremål. Men för att dra fördel av den ytpolaritonförmedlade närfältsstrålningsvärmeöverföringen måste de två objekten separeras med ultrasmala mellanrum i storleksordningen mikron eller till och med nanometer. Denna begränsning komplicerar avsevärt praktiska enhetsdesigner.

Ett annat sätt att modifiera objektets termiska emissionsspektrum är genom att reducera dimensionaliteten hos själva sändaren. Detta tillvägagångssätt bygger på konceptet att begränsa elektroner i kvantbrunnar, ledningar och punkter, och skräddarsyr termisk emission genom att konstruera begränsade fotontillstånd i två- och tredimensionella potentialfällor, inklusive brunnar, ledningar och punkter. Sådan rumslig inneslutning koncentrerar fotontillstånd och förbättrar termisk emission vid utvalda frekvenser. För att uppnå den erforderliga nivån av fotoninneslutning bör dimensionerna på de utstrålande objekten vara i storleksordningen eller under den termiska våglängden som förutsägs av Plancks lag. Viktigast av allt är att emissionsspektrumet för termiska brunnar, ledningar och punkter avviker från Plancks lagförutsägelser, inte bara i närområdet, utan även i det avlägsna fältet, vilket avsevärt utökar utbudet av deras applikationer.

Subjektiv färg för ögat på en termisk radiator med svart kropp

°C (°F)	Subjektiv färg
480 °C (896 °F)	svagt rött sken
580 °C (1 076 °F)	mörkröd
730 °C (1 350 °F)	klarröd, något orange
930 °C (1 710 °F)	Ljus orange
1 100 °C (2 010 °F)	blekt gulaktig orange
1 300 °C (2 370 °F)	gulvit
> 1 400 °C (2 550 °F)	vit (gulaktig om den ses på avstånd genom atmosfären)

Utvalda strålningsvärmeflöden

Tiden till en skada från exponering för strålningsvärme är en funktion av värmeleveranshastigheten. Strålningsvärmeflöde och effekter: (1 W/cm ² = 10 kW/m ² )

kW/m ²	Effekt
170	Maximalt flöde mätt i ett fack efter övertändning
80	Thermal Protective Performance test för personlig skyddsutrustning
52	Fiberboard tänds efter 5 sekunder
29	Trä antänds, givet tid
20	Typisk början av övertändning på golvnivå i ett bostadsrum
16	Människohud : plötslig smärta och andra gradens brännblåsor efter 5 sekunder
12.5	Trä producerar antändbara flyktiga ämnen genom pyrolys
10.4	Människohud: Smärta efter 3 sekunder, andra gradens brännblåsor efter 9 sekunder
6.4	Människohud: andra gradens brännblåsor efter 18 sekunder
4.5	Människohud: andra gradens brännblåsor efter 30 sekunder
2.5	Människohud: brännskador efter långvarig exponering, exponering för strålningsflöde som vanligtvis uppstår under brandbekämpning
1.4	Solljus , solbränna potentiellt inom 30 minuter. Solbränna är INTE en termisk brännskada. Det orsakas av cellskador på grund av ultraviolett strålning.

Utbyte av energi

Strålningsvärmepanel för att testa exakt kvantifierad energiexponering vid National Research Council, nära Ottawa , Ontario , Kanada

Termisk strålning är en av de tre huvudsakliga mekanismerna för värmeöverföring . Det innebär emission av ett spektrum av elektromagnetisk strålning på grund av ett objekts temperatur. Andra mekanismer är konvektion och ledning .

Strålningsvärmeöverföring skiljer sig karakteristiskt från de andra två genom att den inte kräver ett medium och i själva verket når maximal effektivitet i vakuum . Elektromagnetisk strålning har några korrekta egenskaper beroende på strålningens frekvens och våglängder . Fenomenet strålning är ännu inte helt förstått. Två teorier har använts för att förklara strålning; ingen av dem är dock helt tillfredsställande.

För det första, den tidigare teorin som härrörde från begreppet ett hypotetiskt medium kallat eter . Eter fyller förmodligen alla evakuerade eller icke-evakuerade utrymmen. Transmission av ljus eller strålningsvärme tillåts genom utbredning av elektromagnetiska vågor i etern. TV- och radiosändningsvågor är typer av elektromagnetiska vågor med specifika våglängder . Alla elektromagnetiska vågor färdas med samma hastighet; därför är kortare våglängder associerade med höga frekvenser. Eftersom varje kropp eller vätska är nedsänkt i etern, på grund av molekylernas vibrationer, kan varje kropp eller vätska potentiellt initiera en elektromagnetisk våg. Alla kroppar genererar och tar emot elektromagnetiska vågor på bekostnad av dess lagrade energi

Den andra teorin om strålning är mest känd som kvantteorin och erbjöds första gången av Max Planck 1900. Enligt denna teori är energi som sänds ut av en radiator inte kontinuerlig utan är i form av kvanta. Planck hävdade att kvantiteter hade olika storlekar och vibrationsfrekvenser på samma sätt som vågteorin. Energin E hittas av uttrycket E = hν , där h är Planck-konstanten och ν är frekvensen. Högre frekvenser härrör från höga temperaturer och skapar en ökning av energi i kvantumet. Medan utbredningen av elektromagnetiska vågor av alla våglängder ofta kallas "strålning", är termisk strålning ofta begränsad till de synliga och infraröda områdena. För tekniska ändamål kan man konstatera att termisk strålning är en form av elektromagnetisk strålning som varierar beroende på en ytas beskaffenhet och dess temperatur. Strålningsvågor kan röra sig i ovanliga mönster jämfört med ledningsvärmeflöde . Strålning tillåter vågor att resa från en uppvärmd kropp genom ett kallt icke-absorberande eller delvis absorberande medium och nå en varmare kropp igen. Detta är fallet med strålningsvågorna som färdas från solen till jorden.

Samspelet mellan energiutbyte genom termisk strålning kännetecknas av följande ekvation:

\alpha +\rho +\tau =1.\,

Här representerar ${\displaystyle \alpha \,} den$ spektrala absorptionskomponenten , $\rho \,$ spektralreflektionskomponenten och $\tau \,$ den spektrala transmissionskomponenten . Dessa element är en funktion av våglängden ( $\lambda \,$ ) för den elektromagnetiska strålningen. Den spektrala absorptionen är lika med emissiviteten $\epsilon$ ; detta förhållande är känt som Kirchhoffs lag om termisk strålning . Ett objekt kallas en svart kropp om detta gäller för alla frekvenser, och följande formel gäller:

\alpha =\epsilon =1.\,

Reflexiviteten avviker från de andra egenskaperna genom att den är dubbelriktad till sin natur. Med andra ord beror denna egenskap på riktningen för strålningens infallande såväl som reflektionens riktning. Därför bildar de reflekterade strålarna från ett strålningsspektrum som infaller på en verklig yta i en specificerad riktning en oregelbunden form som inte är lätt förutsägbar. I praktiken antas ytor ofta reflektera antingen på ett perfekt spegelblankt eller diffust sätt. I en spegelreflektion är reflektionsvinklarna och infallsvinklarna lika. Vid diffus reflektion reflekteras strålningen lika i alla riktningar. Reflektion från släta och polerade ytor kan antas vara speglande reflektion, medan reflektion från grova ytor närmar sig diffus reflektion. I strålningsanalys definieras en yta som slät om höjden på ytjämnheten är mycket mindre i förhållande till den infallande strålningens våglängd .

I en praktisk situation och rumstemperatur, förlorar människor avsevärd energi på grund av värmestrålning i infraröd strålning utöver den som förloras genom ledning till luft (med hjälp av samtidig konvektion eller andra luftrörelser som drag). Den förlorade värmeenergin återvinns delvis genom att absorbera värmestrålning från väggar eller annan omgivning. (Värme som erhålls genom ledning skulle uppstå för lufttemperaturer som är högre än kroppstemperaturen.) Annars upprätthålls kroppstemperaturen från alstrad värme genom intern metabolism. Människohud har en emissivitet på mycket nära 1,0. Genom att använda formlerna nedan visar en människa, med ungefär 2 kvadratmeter i yta och en temperatur på cirka 307 K , kontinuerligt utstrålar ungefär 1000 watt. Om människor är inomhus, omgivna av ytor på 296 K, får de tillbaka cirka 900 watt från väggen, taket och andra omgivningar, så nettoförlusten är bara cirka 100 watt. Dessa värmeöverföringsuppskattningar är starkt beroende av yttre variabler, såsom att bära kläder, dvs. minskande av den totala värmekretsens konduktivitet, vilket minskar det totala utgående värmeflödet. Endast riktigt gråa system (relativ ekvivalent emissivitet/absorptivitet och inget riktningstransmissivitetsberoende i alla kontrollvolymkroppar som beaktas) kan uppnå rimliga värmeflödesuppskattningar i stabilt tillstånd genom Stefan-Boltzmann-lagen. Att möta denna "ideellt kalkylerbara" situation är nästan omöjligt (även om vanliga tekniska procedurer överger beroendet av dessa okända variabler och "antar" att så är fallet). Optimistiskt sett kommer dessa "grå" approximationer att komma nära verkliga lösningar, eftersom de flesta avvikelser från Stefan-Boltzmanns lösningar är mycket små (särskilt i de flesta STP -labbkontrollerade miljöer).

Spektral respons av två färger och en spegelyta, i det synliga och det infraröda. Från NASA.

Om objekt verkar vita (reflekterande i det visuella spektrumet ) är de inte nödvändigtvis lika reflekterande (och därmed icke-emitterande) i det termiska infraröda - se diagrammet till vänster. De flesta hushållsradiatorer är vitmålade, vilket är förnuftigt med tanke på att de inte är tillräckligt varma för att utstråla någon betydande mängd värme, och inte alls är designade som termiska radiatorer – istället är de faktiskt konvektorer, och att måla dem mattsvarta skulle göra lite skillnad på deras effektivitet. Akryl- och uretanbaserade vita färger har 93 % svartkroppsstrålningseffektivitet vid rumstemperatur (vilket betyder att termen "svart kropp" inte alltid motsvarar den visuellt uppfattade färgen på ett föremål). Dessa material som inte följer förbehållet "svart färg = hög emissivitet/absorptivitet" kommer med största sannolikhet att ha funktionellt spektral emissivitet/absorptivitetsberoende.

Beräkning av strålningsvärmeöverföring mellan grupper av objekt, inklusive en "kavitet" eller "omgivning" kräver lösning av en uppsättning samtidiga ekvationer med användning av radiositetsmetoden . I dessa beräkningar destilleras den geometriska konfigurationen av problemet till en uppsättning siffror som kallas visningsfaktorer , som ger andelen strålning som lämnar en given yta som träffar en annan specifik yta. Dessa beräkningar är viktiga inom områdena solvärmeenergi , design av pannor och ugnar och strålspårad datorgrafik .

En jämförelse av en värmebild (överst) och ett vanligt fotografi (nederst). Plastpåsen är till största delen genomskinlig till långvågig infraröd, men mannens glasögon är ogenomskinliga.

En selektiv yta kan användas när energi utvinns från solen. Selektiva ytor kan även användas på solfångare. Vi kan ta reda på hur mycket hjälp en selektiv ytbeläggning är genom att titta på jämviktstemperaturen på en platta som värms upp genom solstrålning. Om plattan får en solinstrålning på 1350 W/m ² (minst är 1325 W/m ² den 4 juli och maximalt 1418 W/m ² den 3 januari) från solen är temperaturen på plattan där strålningen lämnar lika med strålningen som tas emot av plattan är 393 K (248 °F). Om plattan har en selektiv yta med en emissivitet på 0,9 och en gränsvåglängd på 2,0 μm, är jämviktstemperaturen ungefär 1250 K (1790 °F). Beräkningarna gjordes genom att försumma konvektiv värmeöverföring och försumma solinstrålningen som absorberas i molnen/atmosfären för enkelhets skull, teorin är fortfarande densamma för ett verkligt problem.

För att minska värmeöverföringen från en yta, såsom ett glasfönster, kan en klar reflekterande film med en beläggning med låg emissivitet placeras på ytans insida. "Lågemitterande (låg-E) beläggningar är mikroskopiskt tunna, praktiskt taget osynliga, metall- eller metalloxidskikt som avsätts på en fönster- eller takfönsteryta i första hand för att minska U-faktorn genom att undertrycka strålningsvärmeflödet". Genom att lägga till denna beläggning begränsar vi mängden strålning som lämnar fönstret och ökar därmed mängden värme som hålls kvar inuti fönstret.

Eftersom all elektromagnetisk strålning, inklusive termisk strålning, förmedlar impuls såväl som energi, inducerar värmestrålning också mycket små krafter på de strålande eller absorberande föremålen. Normalt är dessa krafter försumbara, men de måste beaktas när man överväger rymdfarkostnavigering. Pioneer -anomalien , där farkostens rörelse något avvek från vad som förväntades från enbart gravitationen, spårades så småningom ner till asymmetrisk värmestrålning från rymdfarkosten. På liknande sätt störs asteroidernas banor eftersom asteroiden absorberar solstrålning på den sida som är vänd mot solen, men sedan återutsänder energin i en annan vinkel när asteroidens rotation tar bort den varma ytan ur solens syn (YORP ) effekt ).

Strålande kraft

Kraft som avges av en svart kropp plottad mot temperaturen enligt Stefan–Boltzmann-lagen.

Termisk strålningseffekt för en svart kropp i den ortogonala riktningen per ytenhet av utstrålande yta per enhet rymdvinkel och per enhet frekvens $\nu$ ges av Plancks lag som:

u(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^ {2}}}\cdot {\frac {1}{e^{h\nu /k_{\rm {B}}T}-1}}

eller istället för per enhet frekvens, per enhet våglängd som

u(\lambda ,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^ {5}}}\cdot {\frac {1}{e^{hc/k_{\rm {B}}T\lambda }-1}}

Denna formel följer matematiskt från beräkning av spektral fördelning av energi i kvantiserade elektromagnetiska fält som är i fullständig termisk jämvikt med det utstrålande objektet. Plancks lag visar att strålningsenergin ökar med temperaturen, och förklarar varför toppen av ett emissionsspektrum skiftar till kortare våglängder vid högre temperaturer. Det kan också konstateras att energi som emitteras vid kortare våglängder ökar snabbare med temperaturen i förhållande till längre våglängder. Ekvationen härleds som en oändlig summa över alla möjliga frekvenser i ett halvsfärsområde. Energin, $E=h\nu$ , för varje foton multipliceras med antalet tillgängliga tillstånd vid den frekvensen och sannolikheten att vart och ett av dessa tillstånd kommer att vara upptaget.

Genom att integrera ovanstående ekvation över $\nu$ erhålls den uteffekt som ges av Stefan–Boltzmanns lag , som:

P=\sigma AT^{4}

där proportionalitetskonstanten $\sigma$ är Stefan–Boltzmann-konstanten och $A$ är den utstrålande ytarean.

Våglängden ${\displaystyle \lambda \,} ,$ för vilken emissionsintensiteten är högst, ges av Wiens förskjutningslag som:

\lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}

För ytor som inte är svarta kroppar måste man ta hänsyn till den (generellt frekvensberoende) emissivitetsfaktorn $\epsilon (\nu )$ . Denna faktor måste multipliceras med strålningsspektrumformeln innan integration. Om den tas som en konstant kan den resulterande formeln för uteffekten skrivas på ett sätt som innehåller $\epsilon$ som en faktor:

P=\epsilon \sigma AT^{4}

Denna typ av teoretisk modell, med frekvensoberoende emissivitet lägre än den för en perfekt svart kropp, är ofta känd som en grå kropp . För frekvensberoende emissivitet beror lösningen för den integrerade effekten på beroendets funktionella form, även om det i allmänhet inte finns något enkelt uttryck för det. Praktiskt sett, om kroppens emissionsförmåga är ungefär konstant runt toppemissionsvåglängden, tenderar den grå kroppsmodellen att fungera ganska bra eftersom vikten av kurvan runt toppen av emissionen tenderar att dominera integralen.

Konstanter

Definitioner av konstanter som används i ovanstående ekvationer:

$h\,$	Planck konstant	6,626 069 3(11)×10 ⁻³⁴ J·s = 4,135 667 43(35)×10 ⁻¹⁵ eV·s
$b\,$	Wiens förskjutningskonstant	2.897 768 5(51)×10 ⁻³ m·K
$k_{\rm {B}}\,$	Boltzmann konstant	1,380 650 5(24)×10 ⁻²³ J·K ⁻¹ = 8,617 343 (15)×10 ⁻⁵ eV·K ⁻¹
$\sigma \,$	Stefan–Boltzmann konstant	5,670 373 (21)×10 ⁻⁸ W·m ⁻² ·K ⁻⁴
$c\,$	Ljusets hastighet	299 792 458 m·s ⁻¹

Variabler

Definitioner av variabler, med exempelvärden:

$T$	Absolut temperatur	För enheter som används ovan, måste vara i kelvin (t.ex. genomsnittlig yttemperatur på jorden = 288 K)
$A$	Ytarea _	A _kuboid = 2 ab + 2 bc + 2 ac ; En _cylinder = 2 π·r ( h + r ); En _sfär = 4 π·r ²

Strålningsvärmeöverföring

Strålningsvärmeöverföringen netto från en yta till en annan är den strålning som lämnar den första ytan för den andra minus den som kommer från den andra ytan .

För svarta kroppar är energiöverföringshastigheten från yta 1 till yta 2:
${\dot {Q }}_{1\rightarrow 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}$

där $A$ är yta, $E_{b}$ är energiflöde (emissionshastigheten per ytenhet) och $F_{1\rightarrow 2}$ är synfaktorn från yta 1 till yta 2. Tillämpar både reciprocitetsregeln för synfaktorer, $A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{ 2}F_{2\rightarrow 1}$ och Stefan–Boltzmann-lagen , $E_{b}=\sigma T^{4}$ , ger:

${\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\ högerpil 2}\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)\!$
där $\sigma$ är Stefan–Boltzmanns konstant och $T$ är temperatur. Ett negativt värde för ${\dot {Q}}$ indikerar att nettostrålningsvärmeöverföringen är från yta 2 till yta 1.
För två ytor med grå kropp som bildar en inneslutning är värmeöverföringshastigheten:
${\dot {Q}}={\frac {\sigma \left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)}{\displaystyle {\ frac {1-\epsilon _{1}}{A_{1}\epsilon _{1}}}+{\frac {1}{A_{1}F_{1\rightarrow 2}}}+{\frac { 1-\epsilon _{2}}{A_{2}\epsilon _{2}}}}}$
där $\epsilon _{1}$ och $\epsilon _{2}$ är ytornas emissivitet.

Formler för strålningsvärmeöverföring kan härledas för mer speciella eller mer utarbetade fysiska arrangemang, såsom mellan parallella plattor, koncentriska sfärer och de inre ytorna på en cylinder.

Se även

Vidare läsning

Siegel, John R. Howell, Robert; Howell. John R. (november 2001). Termisk strålning värmeöverföring . New York: Taylor & Francis, Inc. s. (xix – xxvi lista över symboler för termisk strålningsformler) . ISBN 978-1-56032-839-1 . Hämtad 23 juli 2009 .
EM Sparrow och RD Cess . Strålningsvärmeöverföring. Hemisphere Publishing Corporation, 1978.

Termisk infraröd fjärravkänning:

Kuenzer, C. och S. Dech (2013): Termisk infraröd fjärravkänning: sensorer, metoder, applikationer (= fjärravkänning och digital bildbehandling 17). Dordrecht: Springer.

externa länkar