Тепловая радиация

Электромагнитное излучение, генерируемое тепловым движением частиц

На этой горячей металлической конструкции можно увидеть тепловое излучение в видимом свете. Его излучение в инфракрасном диапазоне невидимо для человеческого глаза. Инфракрасные камеры способны улавливать это инфракрасное излучение (см. Термография ).

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение , порождаемое тепловым движением частиц вещества . Тепловое излучение генерируется, когда тепло от движения зарядов в материале (электронов и протонов в обычных формах материи) преобразуется в электромагнитное излучение. Все вещества с температурой выше абсолютного нуля излучают тепловое излучение. При комнатной температуре большая часть излучения приходится на инфракрасный (ИК) спектр. ^{[1] : 73–86} Движение частиц приводит к ускорению заряда или дипольным колебаниям, которые производят электромагнитное излучение.

Инфракрасное излучение, испускаемое животными (обнаружимое с помощью инфракрасной камеры ), и космическое микроволновое фоновое излучение являются примерами теплового излучения.

Если объект излучения соответствует физическим характеристикам черного тела, находящегося в термодинамическом равновесии , такое излучение называется излучением черного тела . ^[2] Закон Планка описывает спектр излучения абсолютно черного тела, который зависит исключительно от температуры объекта. Закон смещения Вина определяет наиболее вероятную частоту испускаемого излучения, а закон Стефана-Больцмана дает интенсивность излучения. ^[3]

Тепловое излучение также является одним из фундаментальных механизмов теплопередачи .

Обзор

Тепловое излучение — это излучение электромагнитных волн всем веществом, температура которого превышает абсолютный ноль . ^{[4] [1]} Тепловое излучение отражает преобразование тепловой энергии в электромагнитную энергию . Тепловая энергия – это кинетическая энергия случайных движений атомов и молекул в веществе. Он присутствует во всех веществах с ненулевой температурой. Эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц, т. е. протонов и электронов . Кинетические взаимодействия между частицами материи приводят к ускорению заряда и дипольным колебаниям. Это приводит к электродинамической генерации связанных электрических и магнитных полей, что приводит к испусканию фотонов , излучающих энергию от тела. Электромагнитное излучение, включая видимый свет, будет распространяться в вакууме бесконечно .

Изображение пива может быть получено с помощью тепловизионной камеры FLIR, чтобы продемонстрировать разницу температур, вызванную излучательной способностью.

Характеристики теплового излучения зависят от различных свойств поверхности, от которой оно исходит, включая ее температуру и спектральную излучательную способность , что выражается законом Кирхгофа . ^[4] Излучение не является монохроматическим, т. е. оно не состоит только из одной частоты, а представляет собой непрерывный спектр энергий фотонов, его характеристический спектр. Если излучающее тело и его поверхность находятся в термодинамическом равновесии и поверхность имеет идеальную поглощающую способность на всех длинах волн, ее характеризуют как черное тело . Черное тело также является идеальным излучателем. Излучение таких совершенных излучателей называется излучением черного тела . Отношение излучения любого тела к излучению черного тела — это излучательная способность тела , так что черное тело имеет излучательную способность, равную единице (т. е. единице).

Поглощающая способность, отражательная способность и излучательная способность всех тел зависят от длины волны излучения. Из-за взаимности поглощательная и излучательная способности для любой конкретной длины волны равны в равновесии: хороший поглотитель обязательно является хорошим излучателем, а плохой поглотитель — плохим излучателем. Температура определяет распределение длин волн электромагнитного излучения. Например, белая краска на диаграмме справа обладает высокой отражательной способностью для видимого света (отражательная способность около 0,80) и поэтому кажется человеческому глазу белой из-за отражения солнечного света, пиковая длина волны которого составляет около 0,5 микрометра. Однако его излучательная способность при температуре около -5 ° C (23 ° F) и пиковой длине волны около 12 микрометров составляет 0,95. Таким образом, для теплового излучения он кажется черным.

Распределение мощности, которую черное тело излучает с различной частотой, описывается законом Планка . При любой заданной температуре существует частота f _max , при которой излучаемая мощность максимальна. Закон смещения Вина и тот факт, что частота обратно пропорциональна длине волны, указывают на то, что пиковая частота f _max пропорциональна абсолютной температуре T черного тела. Фотосфера Солнца при температуре около 6000 К излучает преимущественно в видимой (человеком) части электромагнитного спектра. Атмосфера Земли частично прозрачна для видимого света, и свет, достигающий поверхности, поглощается или отражается. Поверхность Земли излучает поглощенное излучение, приближая поведение черного тела при температуре 300 К со спектральным пиком при f _max . На этих более низких частотах атмосфера в значительной степени непрозрачна, и излучение поверхности Земли поглощается или рассеивается атмосферой. Хотя около 10% этого излучения уходит в космос, большая часть поглощается, а затем повторно излучается атмосферными газами. Именно эта спектральная избирательность атмосферы ответственна за планетарный парниковый эффект , способствуя глобальному потеплению и изменению климата в целом (но также внося решающий вклад в стабильность климата, когда состав и свойства атмосферы не меняются).

История

Явление радиации еще до конца не изучено. Для объяснения радиации использовались две теории; однако ни один из них не является полностью удовлетворительным.

Теория эфира

Макс Планк в 1901 году

Во-первых, более ранняя теория, основанная на концепции гипотетической среды, называлась эфиром . Эфир якобы заполняет все эвакуированные или неэвакуированные пространства. Передача света или лучистого тепла возможна благодаря распространению электромагнитных волн в эфире. ^{[5] Волны} теле- и радиовещания представляют собой разновидности электромагнитных волн с определенной длиной волны . ^[6] Все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью; следовательно, более короткие волны связаны с высокими частотами. Поскольку каждое тело или жидкость погружены в эфир, из-за вибрации молекул любое тело или жидкость потенциально может инициировать электромагнитную волну. Все тела генерируют и принимают электромагнитные волны за счет своей запасенной энергии. ^[6]

Квантовая теория

Вторая теория излучения наиболее известна как квантовая теория и была впервые предложена Максом Планком в 1900 году. ^[5] Согласно этой теории, энергия, излучаемая излучателем, не является непрерывной, а имеет форму квантов. Планк утверждал, что величины имеют разные размеры и частоты колебаний, как и в волновой теории. ^[7] Энергия E находится по выражению E = hν , где h — постоянная Планка, а ν — частота. Более высокие частоты возникают из-за высоких температур и создают увеличение энергии в кванте. Хотя распространение электромагнитных волн всех длин волн часто называют «излучением», тепловое излучение часто ограничивается видимым и инфракрасным диапазонами. Для инженерных целей можно сказать, что тепловое излучение — это форма электромагнитного излучения, которая зависит от природы поверхности и ее температуры. ^[5] Волны излучения могут распространяться по необычным схемам по сравнению с теплопроводным тепловым потоком . Излучение позволяет волнам проходить от нагретого тела через холодную непоглощающую или частично поглощающую среду и снова достигать более теплого тела. ^[5] Так обстоит дело с волнами излучения, которые движутся от Солнца к Земле.

Характеристики

Выделяют четыре основных свойства, характеризующих тепловое излучение (в пределе дальнего поля):

• Тепловое излучение, испускаемое телом при любой температуре, состоит из широкого диапазона частот. Распределение частот определяется законом Планка об излучении черного тела для идеализированного излучателя, как показано на диаграмме вверху.
• Преобладающий частотный (или цветовой) диапазон излучаемого излучения смещается в сторону более высоких частот по мере повышения температуры излучателя. Например, раскаленный докрасна объект излучает преимущественно длинные волны (красный и оранжевый) видимого диапазона. Если его нагревать дальше, он также начинает излучать заметное количество зеленого и синего света, а разброс частот во всем видимом диапазоне приводит к тому, что человеческому глазу он кажется белым; он раскален добела . Даже при температуре 2000 К 99% энергии излучения все еще находится в инфракрасном диапазоне. Это определяется законом смещения Вина . На диаграмме пиковое значение каждой кривой смещается влево по мере увеличения температуры.
• Общее количество излучения всех частот резко возрастает с повышением температуры; она растет как Т ⁴ , где Т – абсолютная температура тела. Объект, имеющий температуру кухонной духовки, примерно в два раза превышающую комнатную температуру по абсолютной шкале температур (600 К против 300 К), излучает в 16 раз больше энергии на единицу площади. Объект, имеющий температуру нити лампы накаливания — примерно 3000 К, или в 10 раз выше комнатной температуры, — излучает в 10 000 раз больше энергии на единицу площади. Полная интенсивность излучения черного тела возрастает как четвертая степень абсолютной температуры, что выражается законом Стефана-Больцмана . На графике площадь под каждой кривой быстро растет с ростом температуры.
• Скорость электромагнитного излучения, испускаемого на данной частоте, пропорциональна величине поглощения, которое оно испытает источником, - свойство, известное как взаимность . Таким образом, поверхность, которая поглощает больше красного света, термически излучает больше красного света. Этот принцип применим ко всем свойствам волны, включая длину волны (цвет), направление, поляризацию и даже когерентность , так что вполне возможно иметь тепловое излучение, которое будет поляризованным, когерентным и направленным, хотя поляризованные и когерентные формы вполне возможны. редки в природе вдали от источников (по длине волны). Дополнительную информацию об этой квалификации см. в разделе ниже.

Что касается статистики фотонов, тепловой свет подчиняется суперпуассоновской статистике .

Ближнее и дальнее поле

Сравнение теплового изображения (вверху) и обычной фотографии (внизу). Пластиковый пакет в основном прозрачен для длинноволнового инфракрасного излучения, но очки мужчины непрозрачны.

Общие свойства теплового излучения, описанные законом Планка, применимы, если линейные размеры всех рассматриваемых частей, а также радиусы кривизны всех поверхностей велики по сравнению с длиной волны рассматриваемого луча (обычно от 8 до 25 микрометров для эмиттер при 300 К). Действительно, тепловое излучение, как обсуждалось выше, учитывает только излучающие волны (дальнее поле или электромагнитное излучение ). Для меньших расстояний от источника тепла или поверхности необходимо использовать более сложную структуру, включающую электромагнитную теорию ( радиационная теплопередача в ближнем поле ). Например, хотя тепловое излучение в дальней зоне на расстояниях от поверхностей более чем в одну длину волны, как правило, не является когерентным в какой-либо степени, тепловое излучение в ближнем поле (т. е. излучение на расстояниях в доли различных длин волн излучения) может демонстрировать некоторую степень когерентности. как временная, так и пространственная согласованность. ^[8]

Закон теплового излучения Планка в последние десятилетия был оспорен предсказаниями и успешной демонстрацией радиационной теплопередачи между объектами, разделенными наноразмерными зазорами, которые значительно отклоняются от предсказаний закона. Это отклонение особенно сильно (до нескольких порядков), когда эмиттер и поглотитель поддерживают поверхностные поляритонные моды, которые могут связываться через зазор, разделяющий холодные и горячие объекты. Однако, чтобы воспользоваться преимуществом радиационной теплопередачи в ближнем поле, опосредованной поверхностными поляритонами, два объекта должны быть разделены сверхузкими зазорами порядка микронов или даже нанометров. Это ограничение существенно усложняет практические конструкции устройств.

Другой способ изменить спектр теплового излучения объекта — уменьшить размерность самого излучателя. ^[9] Этот подход основан на концепции удержания электронов в квантовых ямах, проволоках и точках и адаптирует тепловое излучение путем создания состояний удержания фотонов в двух- и трехмерных потенциальных ловушках, включая ямы, проволоки и точки. Такое пространственное ограничение концентрирует фотонные состояния и усиливает тепловое излучение на выбранных частотах. ^[10] Чтобы достичь необходимого уровня удержания фотонов, размеры излучающих объектов должны быть порядка или меньше тепловой длины волны, предсказанной законом Планка. Самое главное, что спектр излучения тепловых ям, проволок и точек отклоняется от предсказаний закона Планка не только в ближней, но и в дальней зоне, что существенно расширяет диапазон их применения.

Субъективный на глаз цвет теплового радиатора с черным корпусом

Базовые принципы

Тепловое излучение — один из трёх основных механизмов теплопередачи . Это влечет за собой излучение спектра электромагнитного излучения в зависимости от температуры объекта. Другими механизмами являются конвекция и проводимость .

Электромагнитные волны

Электромагнитная волна с перпендикулярными электрической и магнитной компонентами

Тепловое излучение отличается от проводимости и конвекции тем, что оно не требует среды и фактически достигает максимальной эффективности в вакууме . Тепловое излучение — это тип электромагнитного излучения , которое часто моделируется распространением волн. Эти волны имеют стандартные волновые свойства частоты и длины волны , которые связаны уравнением ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \lambda }$

$${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\nu }}}$$

^{[12] : 769} ${\displaystyle c}$

Облучение

Тепловое облучение — это скорость, с которой излучение падает на поверхность на единицу площади. ^{[12] : 771} Измеряется в ваттах на квадратный метр. Излучение может отражаться , поглощаться или передаваться . Тогда компоненты облучения можно охарактеризовать уравнением

${\displaystyle \alpha +\rho +\tau =1\,}$

где представляет собой поглощающую способность , отражательную способность и пропускающую способность . ^{[12] : 772} Эти компоненты являются функцией длины волны электромагнитной волны, а также свойств материала среды. ${\displaystyle \alpha \,}$ ${\displaystyle \rho \,}$ ${\displaystyle \tau \,}$

Поглощающая и излучательная способность

Спектральное поглощение равно излучательной способности ; это соотношение известно как закон теплового излучения Кирхгофа . Объект называется черным телом , если это справедливо для всех частот и применяется следующая формула: ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle \alpha =\epsilon =1.\,}$

Спектральный отклик двух красок и зеркальной поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах. От НАСА.

Если объекты кажутся белыми (отражающими в визуальном спектре ), они не обязательно одинаково отражают (и, следовательно, не излучают) в тепловом инфракрасном диапазоне – см. диаграмму слева. Большинство бытовых радиаторов окрашены в белый цвет, что вполне разумно, учитывая, что они недостаточно горячие, чтобы излучать сколько-нибудь значительное количество тепла, и вообще не предназначены для тепловых радиаторов – вместо этого они на самом деле являются конвекторами , и покрасить их в матовый черный цвет мало что даст. разница в их эффективности. Белые краски на основе акрила и уретана имеют эффективность излучения черного тела 93% при комнатной температуре ^[13] (это означает, что термин «черное тело» не всегда соответствует визуально воспринимаемому цвету объекта). Эти материалы, которые не соответствуют требованию «черный цвет = высокая излучательная способность/поглощающая способность», скорее всего, будут иметь функциональную спектральную зависимость излучательной/поглощающей способности.

Только действительно серые системы (относительная эквивалентная излучательная способность/поглощающая способность и отсутствие зависимости коэффициента пропускания от направления во всех рассматриваемых телах контрольного объема) могут достичь разумных оценок стационарного теплового потока с помощью закона Стефана-Больцмана. Столкнуться с этой «идеально вычислимой» ситуацией практически невозможно (хотя обычные инженерные процедуры отказываются от зависимости этих неизвестных переменных и «предполагают», что это так). С оптимистической точки зрения, эти «серые» приближения будут близки к реальным решениям, поскольку большая часть расхождений с решениями Стефана-Больцмана очень мала (особенно в большинстве стандартных лабораторных сред с температурой и давлением ).

Отражательная способность

Отражательная способность отличается от других свойств тем, что она двунаправленная по своей природе. Другими словами, это свойство зависит как от направления падения излучения, так и от направления отражения. Поэтому отраженные лучи спектра излучения, падающие на реальную поверхность в заданном направлении, образуют неправильную форму, которую трудно предсказать. На практике часто предполагается, что поверхности отражают либо идеально зеркально, либо рассеянно. При зеркальном отражении углы отражения и падения равны. При диффузном отражении излучение отражается одинаково во всех направлениях. Отражение от гладких и полированных поверхностей можно считать зеркальным, тогда как отражение от шероховатых поверхностей приближается к диффузному отражению. ^[5] В радиационном анализе поверхность считается гладкой, если высота шероховатости поверхности намного меньше длины волны падающего излучения.

пропускаемость

Среда, которая не испытывает пропускания ( ), является непрозрачной, и в этом случае сумма поглощающей способности и отражательной способности равна единице: ${\displaystyle \tau =0}$

$${\displaystyle \rho +\alpha =1.}$$

Интенсивность излучения

Излучение, испускаемое поверхностью, может распространяться в любом направлении от поверхности. ^{[12] : 773} Облучение также может падать на поверхность с любого направления. Таким образом, количество облучения на поверхности зависит от относительной ориентации как излучателя, так и приемника. Параметр интенсивности излучения используется для количественной оценки того, сколько излучения попадает от одной поверхности к другой.

Интенсивность радиации часто моделируется с использованием сферической системы координат . ^{[12] : 773}

Излучение черного тела

Черные тела — это идеализированные поверхности, которые действуют как идеальный поглотитель и излучатель. ^{[12] : 782–783} Они служат стандартом, с которым сравниваются реальные поверхности при характеристике теплового излучения. Черное тело определяется тремя характеристиками:

1. Черное тело поглощает все падающее излучение независимо от длины волны и направления.
2. Ни одна поверхность не может излучать больше энергии, чем черное тело при заданной температуре и длине волны.
3. Черное тело является диффузным излучателем.

Распределение Планка

Спектральная интенсивность черного тела была впервые определена Максом Планком. ^[14] Мощность теплового излучения черного тела в ортогональном направлении на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла определяется законом Планка как:

Эта формула математически следует из расчета спектрального распределения энергии в квантованном электромагнитном поле, находящемся в полном тепловом равновесии с излучающим объектом. Закон Планка показывает, что энергия излучения увеличивается с температурой, и объясняет, почему пик спектра излучения смещается в сторону более коротких волн при более высоких температурах. Также можно обнаружить, что энергия, излучаемая на более коротких волнах, увеличивается с температурой быстрее по сравнению с более длинными волнами. ^[15] Уравнение выводится как бесконечная сумма по всем возможным частотам в области полусферы. Энергия каждого фотона умножается на количество состояний, доступных на этой частоте, и вероятность того, что каждое из этих состояний будет занято. ${\displaystyle E=h\nu }$

Закон Стефана-Больцмана

График зависимости мощности, излучаемой черным телом, от температуры в соответствии с законом Стефана – Больцмана.

Интегрирование приведенного выше уравнения по выходной мощности, заданной законом Стефана – Больцмана , получается следующим образом: ${\displaystyle \nu }$

${\displaystyle P=\sigma AT^{4}}$

где константа пропорциональности представляет собой постоянную Стефана – Больцмана и представляет собой площадь излучающей поверхности. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle A}$

Закон смещения Вина

Пиковая длина волны и общее количество излучаемой энергии изменяются в зависимости от температуры в соответствии с законом смещения Вина . Хотя это показывает относительно высокие температуры, те же соотношения справедливы для любой температуры вплоть до абсолютного нуля.

Длина волны , для которой интенсивность излучения наибольшая, определяется законом смещения Вина как: ${\displaystyle \lambda \,}$

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

Для поверхностей, которые не являются черными телами, необходимо учитывать коэффициент излучения (обычно зависящий от частоты) . Перед интегрированием этот коэффициент необходимо умножить на формулу спектра излучения. Если принять ее за константу, то результирующую формулу для выходной мощности можно записать таким образом, чтобы она содержала в качестве коэффициента: ${\displaystyle \epsilon (\nu )}$ ${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle P=\epsilon \sigma AT^{4}}$

Этот тип теоретической модели с частотно-независимым коэффициентом излучения ниже, чем у идеально черного тела, часто называют серым телом . Для частотно-зависимой излучательной способности решение для интегральной мощности зависит от функциональной формы зависимости, хотя в целом для нее не существует простого выражения. Практически говоря, если излучательная способность тела примерно постоянна вокруг пиковой длины волны излучения, модель серого тела имеет тенденцию работать достаточно хорошо, поскольку вес кривой вокруг пикового излучения имеет тенденцию доминировать над интегралом.

Константы

Определения констант, используемых в приведенных выше уравнениях:

Переменные

Определения переменных с примерами значений:

Теплообмен между поверхностями

Расчет радиационного теплопереноса между группами объектов, включая «полость» или «окружающую среду», требует решения системы одновременных уравнений с использованием метода излучательности . В этих расчетах геометрическая конфигурация проблемы сводится к набору чисел, называемых коэффициентами обзора , которые определяют долю излучения, покидающего любую заданную поверхность и попадающего на другую конкретную поверхность. Эти расчеты важны в области солнечной тепловой энергии , проектирования котлов и печей и компьютерной графики с трассировкой лучей .

Чистая радиационная передача тепла от одной поверхности к другой представляет собой излучение, покидающее первую поверхность на другую, за вычетом излучения , поступающего со второй поверхности.

• Для черных тел скорость передачи энергии от поверхности 1 к поверхности 2 равна:

  ${\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=A_{1}E_{b1}F_{1\rightarrow 2}-A_{2}E_{b2}F_{2\rightarrow 1}}$

  где - площадь поверхности, - поток энергии (скорость излучения на единицу площади поверхности) и - коэффициент обзора от поверхности 1 к поверхности 2. Применение как правила взаимности для коэффициентов обзора, так и закона Стефана-Больцмана , дает: ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle E_{b}}$ ${\displaystyle F_{1\rightarrow 2}}$ ${\displaystyle A_{1}F_{1\rightarrow 2}=A_{2}F_{2\rightarrow 1}}$ ${\displaystyle E_{b}=\sigma T^{4}}$

  ${\displaystyle {\dot {Q}}_{1\rightarrow 2}=\sigma A_{1}F_{1\rightarrow 2}\left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)\!}$

  где – постоянная Стефана–Больцмана , – температура. ^[16] Отрицательное значение указывает на то, что чистая радиационная теплопередача осуществляется от поверхности 2 к поверхности 1. ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle {\dot {Q}}}$
• Для двух поверхностей серого тела, образующих корпус, скорость теплопередачи равна:

  ${\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {\sigma \left(T_{1}^{4}-T_{2}^{4}\right)}{\displaystyle {\frac {1-\epsilon _{1}}{A_{1}\epsilon _{1}}}+{\frac {1}{A_{1}F_{1\rightarrow 2}}}+{\frac {1-\epsilon _{2}}{A_{2}\epsilon _{2}}}}}}$

  где и – коэффициенты излучения поверхностей. ^[16] ${\displaystyle \epsilon _{1}}$ ${\displaystyle \epsilon _{2}}$

Формулы радиационной теплопередачи можно вывести для более конкретных или более сложных физических расположений, например, между параллельными пластинами, концентрическими сферами и внутренними поверхностями цилиндра. ^[16]

Приложения

Всякий раз, когда ЭМ-излучение испускается, а затем поглощается, происходит передача тепла. Этот принцип используется в микроволновых печах , лазерной резке и радиочастотной эпиляции .

Панель излучающего тепла для тестирования точно количественного воздействия энергии в Национальном исследовательском совете , недалеко от Оттавы , Онтарио , Канада.

Лампы накаливания

Лампа накаливания имеет спектр, перекрывающий спектры черного тела Солнца и Земли. Некоторые фотоны, излучаемые вольфрамовой лампочкой при температуре 3000 К , находятся в видимом спектре. Большая часть энергии связана с фотонами с более длинными волнами; они не помогают человеку видеть, но все же передают тепло в окружающую среду, как можно установить эмпирически, наблюдая за лампочкой накаливания.

Солнечная энергия

В отличие от кондуктивных и конвективных форм теплопередачи, тепловое излучение можно сконцентрировать в крошечном пятне с помощью отражающих зеркал, что позволяет концентрировать солнечную энергию . Вместо зеркал для концентрации лучистой энергии также можно использовать линзы Френеля . (В принципе, можно использовать линзы любого типа, но для очень больших линз практична только конструкция линз Френеля.) Любой метод можно использовать для быстрого превращения воды в пар с помощью солнечного света. Например, солнечный свет, отраженный от зеркал, нагревает солнечную электростанцию ​​PS10 , а днем ​​она может нагревать воду до 285 °C (558 K; 545 °F).

Селективную поверхность можно использовать, когда энергия извлекается из Солнца. Селективные поверхности также можно использовать на солнечных коллекторах. Мы можем узнать, насколько полезно селективное покрытие поверхности, взглянув на равновесную температуру пластины, нагреваемой солнечным излучением. Если пластина получает солнечное излучение 1350 Вт/м ² (минимум 1325 Вт/м ² 4 июля и максимум 1418 Вт/м ² 3 января) от Солнца, температура пластины, из которой выходит излучение, равна равна излучению, получаемому пластиной, составляет 393 К (248 ° F). Если пластина имеет селективную поверхность с коэффициентом излучения 0,9 и длиной волны отсечки 2,0 мкм, равновесная температура составляет примерно 1250 К (1790 °F). Расчеты были выполнены без учета конвективной теплопередачи и без учета солнечного излучения, поглощенного облаками/атмосферой для простоты, теория остается той же самой для реальной задачи.

Персонализированное охлаждение

Технология персонализированного охлаждения является примером применения, в котором может быть полезна оптическая спектральная избирательность. Обычное индивидуальное охлаждение обычно достигается за счет теплопроводности и конвекции. Однако человеческое тело является очень эффективным излучателем инфракрасного излучения, что обеспечивает дополнительный механизм охлаждения. Большинство обычных тканей непрозрачны для инфракрасного излучения и блокируют тепловое излучение от тела в окружающую среду. Были предложены ткани для индивидуального охлаждения, которые позволяют инфракрасному излучению напрямую проходить через одежду, но при этом являются непрозрачными в видимых длинах волн, что позволяет пользователю сохранять прохладу.

Окна

Низкоэмиссионные окна в домах представляют собой более сложную технологию, поскольку они должны иметь низкую излучательную способность в тепловых волнах, оставаясь при этом прозрачными для видимого света. Чтобы уменьшить теплопередачу от поверхности, такой как стеклянное окно, на внутреннюю часть поверхности можно нанести прозрачную отражающую пленку с покрытием с низкой излучательной способностью. «Покрытия с низкой эмиссией (low-E) представляют собой микроскопически тонкие, практически невидимые слои металла или оксидов металлов, наносимые на поверхность остекления окон или световых люков в первую очередь для уменьшения U-фактора путем подавления радиационного теплового потока». ^[17] Добавляя это покрытие, мы ограничиваем количество излучения, выходящего из окна, тем самым увеличивая количество тепла, удерживаемого внутри окна.

Космический корабль

Блестящие металлические поверхности имеют низкий коэффициент излучения как в видимом диапазоне волн, так и в дальнем инфракрасном диапазоне. Такие поверхности можно использовать для уменьшения теплопередачи в обоих направлениях; примером этого является многослойная изоляция, используемая для изоляции космических кораблей.

Поскольку любое электромагнитное излучение, включая тепловое, передает не только энергию, но и импульс, тепловое излучение также вызывает очень небольшие силы на излучающие или поглощающие объекты. Обычно эти силы незначительны, но их необходимо учитывать при рассмотрении навигации космического корабля. Аномалия «Пионера» , когда движение корабля слегка отклонялось от ожидаемого только за счет гравитации, в конечном итоге была связана с асимметричным тепловым излучением космического корабля. Аналогично, орбиты астероидов возмущены, поскольку астероид поглощает солнечную радиацию на стороне, обращенной к Солнцу, но затем повторно излучает энергию под другим углом, поскольку вращение астероида уносит теплую поверхность из поля зрения Солнца ( YORP эффект ).

Наноструктуры

Наноструктуры со спектрально-селективными свойствами теплового излучения предлагают многочисленные технологические применения для производства энергии и повышения эффективности ^[9] , например, для дневного радиационного охлаждения фотоэлектрических элементов и зданий. Эти приложения требуют высокого коэффициента излучения в диапазоне частот, соответствующем окну прозрачности атмосферы, в диапазоне длин волн от 8 до 13 микрон. Таким образом, селективный излучатель, сильно излучающий в этом диапазоне, подвергается воздействию ясного неба, что позволяет использовать космическое пространство в качестве теплоотвода с очень низкой температурой. ^[18]

Здоровье и безопасность

Метаболическая регуляция температуры

На практике при комнатной температуре люди теряют значительную энергию из-за инфракрасного теплового излучения в дополнение к потерям за счет проводимости в воздух (чему способствует одновременная конвекция или другое движение воздуха, например, сквозняки). Потерянная тепловая энергия частично восстанавливается за счет поглощения теплового излучения от стен или другого окружения. Человеческая кожа имеет коэффициент излучения, очень близкий к 1,0. ^[19] Человек с площадью поверхности примерно 2 м ² и температурой около 307  К непрерывно излучает примерно 1000 Вт. Если люди находятся в помещении, окруженные поверхностями с температурой 296 К, они получают обратно около 900 Вт от стены. , потолка и других окружающих условий, что приводит к чистым потерям 100 Вт. Эти оценки сильно зависят от внешних переменных, таких как ношение одежды.

Светлые цвета, а также белые и металлические вещества меньше поглощают световой свет и, как следствие, меньше нагреваются. Однако цвет мало влияет на теплообмен между объектом при повседневной температуре и его окружением. Это связано с тем, что преобладающие длины волн излучения находятся не в видимом спектре, а в инфракрасном. Коэффициент излучения на этих длинах волн в значительной степени не связан с визуальным коэффициентом излучения (видимые цвета); в дальнем инфракрасном диапазоне большинство объектов имеют высокий коэффициент излучения. Таким образом, за исключением солнечного света, цвет одежды мало влияет на тепло; Точно так же цвет краски домов мало влияет на теплоту, за исключением тех случаев, когда окрашенная часть освещена солнцем.

Бернс

Тепловое излучение — это явление, которое может обжечь кожу и воспламенить легковоспламеняющиеся материалы. Время повреждения от воздействия теплового излучения является функцией скорости передачи тепла. Радиационный тепловой поток и эффекты представлены следующим образом: ^[20]

Смотрите также

• Накаливание
• Инфракрасная фотография
• Внутреннее радиационное покрытие
• Теплопередача
• Планковское излучение
• Лучистое охлаждение
• Уравнение Сакумы – Хаттори
• Тепловая дозирующая установка
• Посмотреть коэффициент

Рекомендации

1. Месегер, Хосе. (2012). Тепловой контроль космического корабля. Исабель Перес-Гранде, Анхель Санс-Андрес. Кембридж: Паб Woodhead. ISBN 978-0-85709-608-1. ОКЛК  903167592.
2. К. Хуанг, Статистическая механика (2003), стр.278
3. К. Хуанг, Статистическая механика (2003), стр.280
4. С. Бланделл, К. Бланделл (2006). Понятия теплофизики . Издательство Оксфордского университета. п. 247. ИСБН 978-0-19-856769-1.
5. Сюй, Шао Ти. Инженерная теплопередача . Блэксбург, Вирджиния: Д. Компания Ван Ностранд, Инк., 1962 г.
6. Беккер, Мартин. Теплопередача: современный подход. Нью-Йорк: Plenum Publishing Corporation, 1986.
7. Юнус, Ценгель. Тепло- и массообмен . Нью-Йорк: Mc Graw Hill, 2007.
8. Греффе, Жан-Жак; Хенкель, Карстен (2007). «Когерентное тепловое излучение». Современная физика . 48 (4): 183–194. Бибкод : 2007ConPh..48..183G. дои : 10.1080/00107510701690380. S2CID  121228286.
9. Фань, Шаньхуэй; Ли, Вэй (11 июня 2018 г.). «Нанофотонный контроль теплового излучения в энергетических целях [Приглашен]». Оптика Экспресс . 26 (12): 15995–16021. Бибкод : 2018OExpr..2615995L. дои : 10.1364/OE.26.015995 . ISSN  1094-4087. ПМИД  30114851.
10. Рефаэли, Иден; Раман, Аасват; Фань, Шаньхуэй (2013). «Сверхширокополосные фотонные структуры для достижения высокоэффективного дневного радиационного охлаждения». Нано-буквы . 13 (4): 1457–1461. Бибкод : 2013NanoL..13.1457R. дои : 10.1021/nl4004283. ПМИД  23461597.
11. «Физика цветных фейерверков». 21 июля 2011 г. Архивировано из оригинала 21 июля 2011 г.
12. Incropera, Фрэнк П.; ДеВитт, Дэвид П.; Бергман, Теодор Л.; Лавин, Эдриен С., ред. (2013). Принципы тепломассопереноса (7-е изд., международная студенческая версия). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-470-50197-9.
13. С. Танемура, М. Тазава, П. Цзин, Т. Мики, К. Ёсимура, К. Игараси, М. Охиши, К. Симоно, М. Адачи. «Оптические свойства и радиационная охлаждающая способность белых красок» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 января 2007 года . Проверено 24 января 2010 г.Всемирный солнечный конгресс ISES 1999 г.
14. Планк, М., Теория теплового излучения, Dover Publications, Нью-Йорк, 1959.
15. Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышение стойкости к окислению высокоэмиссионных покрытий 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.
16. Тепло- и массообмен, Юнус А. Ценгель и Афшин Дж. Гаджар, 4-е издание
17. Эффективное сотрудничество с Windows: Window Technologies. Архивировано 26 апреля 2011 г. на Wayback Machine.
18. Чжай, Яо; Ма, Яогуан; Дэвид, Сабрина Н.; Чжао, Дунлян; Лу, Раннан; Тан, Банда; Ян, Жунгуй; Инь, Сяобо (10 марта 2017 г.). «Масштабируемый рандомизированный гибридный стеклополимерный метаматериал для дневного радиационного охлаждения». Наука . 355 (6329): 1062–1066. Бибкод : 2017Sci...355.1062Z. дои : 10.1126/science.aai7899 . ISSN  0036-8075. ПМИД  28183998.
19. Р. Боулинг Барнс (24 мая 1963 г.). «Термография человеческого тела. Энергия инфракрасного излучения обеспечивает новые концепции и инструменты для медицинской диагностики». Наука . 140 (3569): 870–877. Бибкод : 1963Sci...140..870B. дои : 10.1126/science.140.3569.870. PMID  13969373. S2CID  30004363.
20. Джон Дж. Лентини - Научные протоколы расследования пожаров, CRC 2006, ISBN 0849320828 , таблица из NFPA 921, Руководство по расследованию пожаров и взрывов 

дальнейшее чтение

• Сигел, Джон Р. Хауэлл, Роберт; Хауэлл. Джон Р. (ноябрь 2001 г.). Тепловой радиационный теплообмен. Нью-Йорк: Taylor & Francisco, Inc., стр. ( список xix – xxvi символов для формул теплового излучения ). ISBN 978-1-56032-839-1. Проверено 23 июля 2009 г.
• Э.М. Воробей и Р.Д. Цесс . Радиационная теплопередача. Издательская корпорация Hemisphere, 1978.
• Кюнцер, К. и С. Деч (2013): Тепловое инфракрасное дистанционное зондирование: датчики, методы, приложения (= дистанционное зондирование и цифровая обработка изображений 17). Дордрехт: Спрингер.

Внешние ссылки

• Калькулятор выбросов черного тела
• Теплопередача
• Атмосферная радиация
• Калибровка инфракрасной температуры 101