Emisivitate

Fiecare corp cu o temperatură peste zero absolut emite radiații termice . Emisivitatea unui corp indică cât de mult radiații el emite în comparație cu un emițător de căldură ideală, un corp negru . Această valoare este întotdeauna între 0 (fără absorbție) și 1 (100% absorbție).

Corpul negru ca referință la radiații

Două vederi ale unui cub Leslie , toate laturile cubului sunt la aceeași temperatură, dar cu grade diferite de emisie. Imagine realizată cu o cameră cu imagini termice și în comparație în zona vizibilă

Un corp negru este un corp idealizat ipotetic care absoarbe complet orice radiație electromagnetică pe care o lovește la orice frecvență . Conform legii radiației lui Kirchhoff , absorbția și emisivitatea unui corp sunt întotdeauna proporționale. Deoarece corpul negru are cea mai mare capacitate de absorbție posibilă la fiecare frecvență (și anume 100%), trebuie să emită și cea mai puternică ieșire de radiație termică fizică posibilă la fiecare frecvență posibilă la temperatura dată . Cu alte cuvinte: dacă se află lângă un alt corp cu același nume, cu o emisivitate mai mică, își dă energia mai repede și, de asemenea, strălucește mai puternic decât celălalt corp.

Din moment ce radiază la fel de mult în toate direcțiile, radiația pe care o emite este la fel de puternică în toate direcțiile; radiază complet difuz . În plus, distribuția intensității și frecvenței radiației emise de un corp negru nu depinde de natura sa materială sau de istoria sa, ci doar de temperatura sa; sunt descrise de legea radiației lui Planck .

Caracterul universal al radiației termice emise de un corp negru și faptul că niciun corp real nu poate radia mai puternic decât un corp negru la orice frecvență sugerează că emisivitatea unui corp real ar trebui setată la valoarea maximă posibilă dată de negru. corp Respectiv. Raportul dintre intensitatea radiației emise de un corp și intensitatea radiației unui corp negru la aceeași temperatură se numește emisivitatea corpului. Emisivitatea poate avea valori cuprinse între 0 și 1. În funcție de frecvența și distribuția direcțională a radiației, trebuie luate în considerare, pot fi specificate patru emisivități diferite.

Emisivitatea unui corp trebuie cunoscută, astfel încât temperatura acestuia să poată fi determinată din intensitatea radiației de căldură emise folosind un pirometru sau o cameră termică .

Emisivități

Emisivitate spectrală dirijată

Radiance spectrală (unitate: W · m ^-2 · Hz ^-1 · sr ^-1 ) unui corp de temperatură indică puterea radiantă a corpului la frecvența în direcția dată de unghiul polar , iar unghiul de azimut per suprafață, per lățimea frecvenței și emite pe unghi solid . Strălucirea spectrală a unui corp negru este independentă de direcție și este dată de legea radiației lui Planck. ${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T)}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ varphi}$${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

Emisivitatea spectrală dirijată a unui corp este raportul dintre radiația spectrală emisă de un element de suprafață a corpului la frecvența în unghiul dat și direcția spre strălucirea spectrală emisă de un corp negru de aceeași temperatură la aceeași frecvență în aceeași direcție : ${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ varphi}$${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T)}$${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ nu} ^ {\ prime} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) = {\ frac {L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T)} {L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T)}}}$.

Emisivitatea spectrală emisferică

Radiație specifică spectrală (unitate: W · m ^-2 · Hz ^-1 ) a unui corp de temperatură indică putere care radiație a corpului emite la frecventa in intreaga jumatate de spatiu pe unitatea de suprafață și pe intervalul de frecvență unitate. Radiația specifică spectrală a unui corp negru este dată de legea radiației lui Planck. ${\ displaystyle \, M _ {\ nu} (\ nu, T)}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle M _ {\ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

Emisivitatea spectrală emisferic al unui corp este raportul dintre radiația specifică spectrală emisă de un element de suprafață a corpului la frecvența în spațiul jumătate la radiația specifică spectrală emisă de un corp negru de aceeași temperatură la aceeași frecvență în jumătate de spațiu : ${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \, M _ {\ nu} (\ nu, T)}$${\ displaystyle M _ {\ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

	${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ nu} (\ nu, T)}$	${\ displaystyle = {\ frac {M _ {\ nu} (\ nu, T)} {M _ {\ nu} ^ {o} (\ nu, T)}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {\ int L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) \ cos (\ beta) \, \ mathrm {d} \ Omega} {\ int L_ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T) \ cos (\ beta) \, \ mathrm {d} \ Omega}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {1} {\ pi}} \, \ int \ varepsilon _ {\ nu} ^ {\ prime} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) \, \ cos (\ beta ) \, \ mathrm {d} \ Omega}$.

Emisivitate totală dirijată

Strălucirea totală sau radianta (unitate: W m ^-2 sr ^-1 ) unui corp de temperatură indică puterea radiantă a corpului emite la toate frecvențele din direcția dată de unghiul polar și unghiul de azimut per unitate de suprafață și per unghi solid unitate. Strălucirea unui corp negru este independentă de direcție și este dată de legea radiației lui Planck. ${\ displaystyle L _ {\ Omega} (\ beta, \ varphi, T)}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ varphi}$${\ displaystyle L _ {\ Omega} ^ {o} (T)}$

Regia Emisivitatea totală a unui corp este raportul dintre radiația emisă de un element de suprafață a corpului la toate frecvențele din unghiul dat și direcția spre radiația emisă de un corp negru de aceeași temperatură la toate frecvențele din aceeași direcție : ${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ varphi}$${\ displaystyle L _ {\ Omega} (\ beta, \ varphi, T)}$${\ displaystyle L _ {\ Omega} ^ {o} (T)}$

	${\ displaystyle \ varepsilon ^ {\ prime} (\ beta, \ varphi, T)}$	${\ displaystyle = {\ frac {L _ {\ Omega} (\ beta, \ varphi, T)} {L _ {\ Omega} ^ {o} (T)}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {\ int L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) \, \ mathrm {d} \ nu} {\ int L _ {\ Omega \ nu } ^ {o} (\ nu, T) \, \ mathrm {d} \ nu}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {\ pi} {\ sigma T ^ {4}}} \, \ int \ varepsilon _ {\ nu} ^ {\ prime} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) L_ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T) \, \ mathrm {d} \ nu}$.

Emisivitate totală emisferică

Radiație specifică (unitate: W · m ^-2 ) a unui corp de temperatură indică puterea de radiație a corpului emite pe unitatea de suprafață la toate frecvențele în jumătate de spațiu. Radiația specifică a unui corp negru este dată de legea Stefan-Boltzmann . ${\ displaystyle \, M (T)}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle \, M ^ {o} (T)}$

Emisivitatea totală emisferic al unui corp este raportul dintre radiația specifică emisă de un element de suprafață a corpului la toate frecvențele din jumătății spațiul pentru strălucirea emisă de un corp negru de aceeași temperatură la toate frecvențele din jumătății spațiul : ${\ displaystyle \, M (T)}$${\ displaystyle \, M ^ {o} (T)}$

	${\ displaystyle \ varepsilon (T)}$	${\ displaystyle = {\ frac {M (T)} {M ^ {o} (T)}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {\ int \ int L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T) \, \ cos (\ beta) \, \ mathrm {d} \ nu \ , \ mathrm {d} \ Omega} {\ int \ int L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T) \, \ cos (\ beta) \, \ mathrm {d} \ nu \ , \ mathrm {d} \ Omega}}}$
		${\ displaystyle = {\ frac {1} {\ sigma T ^ {4}}} \, \ int \ varepsilon _ {\ nu} (\ nu, T) \, M _ {\ nu} ^ {o} ( \ nu, T) \, \ mathrm {d} \ nu}$
		${\ displaystyle = {\ frac {1} {\ pi}} \, \ int \ varepsilon ^ {\ prime} (\ beta, \ varphi, T) \, \ cos (\ beta) \, \ mathrm {d} \ Omega}$.

Toate dimensiunile fasciculelor și emisivitățile pot fi desigur formulate , de asemenea , ca o funcție a lungimii de undă în loc de frecvență.

proprietăți

Toate cele patru emisivități descrise sunt proprietăți materiale ale corpului în cauză (în cazul gradelor de absorbție definite în același mod , acest lucru se aplică numai gradului de absorbție spectral direcționat). Emisivitatea spectrală direcțional descrie direcția și frecvența dependenței radiației emise prin comparație cu radiația emisă de un corp negru. Emisivitatea spectrală emisferică descrie doar dependența frecvenței, totală direcționată emisivitatea numai direcțională dependența și emisivitatea totală semisferic numai puterea totală radiată. Pentru multe materiale este cunoscut doar cel din urmă.

Un corp a cărui emisivitate spectrală direcționată nu depinde de direcție este un radiator Lambert ; emite radiații complet difuze. Un corp a cărui emisivitate spectrală direcționată nu depinde de frecvență este un corp gri . În ambele cazuri, există adesea simplificări considerabile pentru calculele radiațiilor , astfel încât corpurile reale sunt adesea - pe cât posibil - aproximativ privite ca emițătoare difuze și corpuri gri.

Conform legii radiației lui Kirchhoff , emisivitatea spectrală direcționată este egală cu absorbția spectrală direcționată pentru fiecare corp. Pentru celelalte grade de emisie și absorbție, același lucru se aplică numai în condiții suplimentare.

Mese

Practic, informațiile despre emisivitatea din numeroasele tabele care trebuie găsite ar trebui tratate cu prudență. Datorită numeroaselor variații posibile, care rareori sunt toate specificate, pot exista diferențe mai mari.

Exemple de emisivități ale suprafețelor nemetalice.

material	Temperatura / ° C ${\ displaystyle \ vartheta}$	Emisivitate totală în direcția normală a suprafeței ${\ displaystyle \ varepsilon _ {n}}$	Emisivitate emisferică totală ${\ displaystyle \ varepsilon}$
lemn de plajă	70	0,94	0,91
Gheață, netedă, grosime> 4 mm	−9,6	0,965	0,918
Vopsea emailată , albă	20	0,91
cărbune	150	0,81
Hârtie, albă, mată	95	0,92	0,89
Suprafață coaptă, aspră	0	0,985
nisip	20	0,76
Foaie de sticlă, grosime 6 mm	−60 ... 0	0,910
	60	0,913
	120	0,919
Pahar de sodă-var	9,85	0,837
Apă, grosime> 0,1 mm	10 ... 50	0,965	0,91

Exemple de emisivități ale suprafețelor metalice

material	Temperatura / ° C${\ displaystyle \ vartheta}$	Emisivitate totală în direcția normală a suprafeței ${\ displaystyle \ varepsilon _ {n}}$	Emisivitate emisferică totală ${\ displaystyle \ varepsilon}$
Fier lustruit	−73 ... 727	0,04 ... 0,19	0,06 ... 0,25
-, oxidat	−73 ... 727	0,32 ... 0,60
-, șlefuit gol	25	0,24
-, gravat necompletat	150	0,128	0,158
-, piele turnată	100	0,80
-, ruginit	25	0,61
-, foarte ruginit	20	0,85
Auriu , lustruit	227 ... 627	0,020 ... 0,035
-, oxidat	−173 ... 827		0,013 ... 0,070
Cupru lustruit	327 ... 727	0,012 ... 0,019
-, oxidat	130	0,76	0,725
-, puternic oxidat	25	0,78
	327	0,83
	427	0,89
	527 ... 727	0,91 ... 0,92
aluminiu			0,04
platină			0,05

Terminologie

Termenul emisivitate este adesea folosit sinonim pentru emisivitate , prin care emisivitatea are un sens mai larg. În literatura mai veche, în special , emisivitatea este utilizată și în sensul unei cantități de radiații fizice, cum ar fi B. strălucirea spectrală .

Link-uri web

• Emisivitățile materialelor metalice convenționale
• Emisivitățile materialelor
• Emisivitățile materialelor convenționale
• Bazele măsurării temperaturii fără contact , fișier PDF, 1,3 MB (conține, printre altele, tabele de emisivitate), accesat la 26 ianuarie 2017

literatură

• Peter Stephan, Stephan Kabelac, Matthias Kind, Dieter Mewes, Karlheinz Schaber, Thomas Wetzel (eds.): VDI-Wärmeatlas . Ediția a XII-a. Springer-Verlag GmbH Germania, Berlin 2019, ISBN 978-3-662-52988-1 , secțiunea K radiații termice.  cu tabele de substanță pentru emisivități
• HD Baehr, K. Stephan: Transfer de căldură și masă. Ediția a IV-a. Springer-Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-540-40130-X (Capitolul 5: Radiații termice).

Dovezi individuale

1. ↑ Când se specifică un interval de temperatură, se poate face interpolare liniară între valorile specificate pentru emisivități.
2. ↑ Emisivitate. Spektrum.de , accesat pe 28 iunie 2020 .