Emisivita - Emissivity

Kováři pracují se železem, když je dostatečně horké, aby vyzařovalo jasně viditelné tepelné záření .

Emisivita povrchu materiálu, je jeho účinnost v vyzařující energii jako tepelné záření . Tepelné záření je elektromagnetické záření, které může zahrnovat jak viditelné záření (světlo), tak infračervené záření, které není pro lidské oči viditelné. Tepelné záření z velmi horkých předmětů (viz fotografie) je snadno viditelné okem. Kvantitativně je emisivita poměrem tepelného záření z povrchu k záření z ideálního černého povrchu při stejné teplotě, jakou udává Stefan – Boltzmannův zákon . Poměr se pohybuje od 0 do 1. Povrch dokonalého černého tělesa (s emisivitou 1) vyzařuje při pokojové teplotě (25 ° C, 298,15 K) tepelné záření rychlostí přibližně 448 wattů na metr čtvereční; všechny skutečné objekty mají emisivity menší než 1,0 a vyzařují záření odpovídajícím způsobem nižšími rychlostmi.

Emisivity jsou důležité v několika kontextech:

Zateplená okna - teplé povrchy se obvykle chladí přímo vzduchem, ale také se samy ochlazují vyzařováním tepelného záření. Tento druhý chladicí mechanismus je důležitý pro jednoduchá skleněná okna, jejichž emisivity se blíží maximální možné hodnotě 1,0. „Okna s nízkou E“ s průhlednými povlaky s nízkou emisivitou vyzařují méně tepelného záření než běžná okna. V zimě mohou tyto nátěry snížit rychlost, s jakou okno ztrácí teplo, na polovinu ve srovnání s oknem bez povrchové úpravy.

Solární systém ohřevu vody na bázi evakuovaných kolektorů se skleněnými trubkami . Sluneční světlo je absorbováno uvnitř každé trubice selektivním povrchem. Povrch absorbuje sluneční světlo téměř úplně, ale má nízkou tepelnou emisivitu, takže ztrácí velmi málo tepla. Běžné černé povrchy také účinně absorbují sluneční světlo, ale vydávají vydatně tepelné záření.

Solární kolektory tepla - Podobně solární kolektory ztrácejí teplo vyzařováním tepelného záření. Pokročilé sluneční kolektory obsahují selektivní povrchy, které mají velmi nízké emisivity. Tyto kolektory vyzařují velmi málo sluneční energie prostřednictvím emise tepelného záření.
Tepelné stínění - Pro ochranu struktur před vysokými povrchovými teplotami, jako jsou opakovaně použitelné kosmické lodě nebo hypersonická letadla, jsou na povrch izolační keramiky nanášeny povlaky s vysokou emisivitou (HEC) s hodnotami emisivity blízkými 0,9. To usnadňuje radiační chlazení a ochranu podkladové struktury a je alternativou k ablativním povlakům, používaným v jednorázových reentry kapslích .
Planetární teploty - Planety jsou sluneční tepelné kolektory ve velkém měřítku. Teplota povrchu planety je dána rovnováhou mezi teplem absorbovaným planetou ze slunečního světla, teplem vyzařovaným z jejího jádra a tepelným zářením emitovaným zpět do vesmíru. Emisivita planety je dána povahou jejího povrchu a atmosféry.
Měření teploty - Pyrometry a infračervené kamery jsou nástroje používané k měření teploty objektu pomocí jeho tepelného záření; není nutný žádný skutečný kontakt s objektem. Kalibrace těchto nástrojů zahrnuje emisivitu měřeného povrchu.

Matematické definice

Pologulová emisivita

Hemisférická emisivita povrchu, označená ε , je definována jako

{\ Displaystyle \ varepsilon = {\ frac {M _ {\ mathrm {e}}} {M _ {\ mathrm {e}}^{\ circle}}},}

kde

M _e je zářivý únik z tohoto povrchu;
M _e^° je zářivý výstup černého tělesa při stejné teplotě jako tento povrch.

Spektrální hemisférická emisivita

Spektrální hemisférická emisivita ve frekvenci a spektrální hemisférická emisivita ve vlnové délce povrchu, označená ε _ν, respektive ε _λ , jsou definována jako

{\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ nu} = {\ frac {M _ {\ mathrm {e}, \ nu}} {M _ {\ mathrm {e}, \ nu}^{\ circ}}},}

{\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ lambda} = {\ frac {M _ {\ mathrm {e}, \ lambda}} {M _ {\ mathrm {e}, \ lambda}^{\ circ}}},}

kde

M _{e, ν} je spektrální zářivý výstup ve frekvenci tohoto povrchu;
M _{e, ν}^° je spektrální zářivý exitance četnosti černého tělesa při stejné teplotě jako povrch;
M _{e, λ} je spektrální zářivý výstup ve vlnové délce tohoto povrchu;
M _{e, λ}^° je spektrální zářivý exitance ve vlnové délce černého tělesa při stejné teplotě jako povrch.

Směrová emisivita

Směrová emisivita povrchu, označená ε _Ω , je definována jako

{\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ Omega} = {\ frac {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega}} {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega}^{\ circle}}},}

kde

L _{e, Ω} je zář tohoto povrchu;
L _{e, Ω}^° je záření černého tělesa při stejné teplotě jako tento povrch.

Spektrální směrová emisivita

Spektrální směrová emisivita ve frekvenci a spektrální směrová emisivita ve vlnové délce povrchu, označená ε _{ν, Ω} a ε _{λ, Ω} , jsou definována jako

{\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ nu, \ Omega} = {\ frac {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega, \ nu}} {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega, \ nu}^{ \ circ}}},}

{\ Displaystyle \ varepsilon _ {\ lambda, \ Omega} = {\ frac {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega, \ lambda}} {L _ {\ mathrm {e}, \ Omega, \ lambda}^{ \ circ}}},}

kde

L _{e, Ω, ν} je spektrální záření ve frekvenci tohoto povrchu;
L _{e, Ω, ν}^° je spektrální záření ve frekvenci černého tělesa při stejné teplotě jako tento povrch;
L _{e, Ω, λ} je spektrální záření ve vlnové délce tohoto povrchu;
L _{e, Ω, λ}^° je spektrální záření ve vlnové délce černého tělesa při stejné teplotě jako tento povrch.

Emisivity běžných povrchů

Emisivity ε lze měřit pomocí jednoduchých zařízení, jako je Leslieho kostka, ve spojení s detektorem tepelného záření, jako je termopil nebo bolometr . Přístroj porovnává tepelné záření z testovaného povrchu s tepelným zářením z téměř ideálního černého vzorku. Detektory jsou v podstatě černé absorbéry s velmi citlivými teploměry, které zaznamenávají nárůst teploty detektoru při vystavení tepelnému záření. Pro měření emisivity teploty místnosti musí detektory zcela absorbovat tepelné záření na infračervených vlnových délkách blízko 10 × ^10–6 metrů. Viditelné světlo má rozsah vlnových délek přibližně 0,4 až 0,7 × 10 ⁻⁶ metrů od fialové po tmavě červenou.

Měření emisivity pro mnoho povrchů je zpracováno v mnoha příručkách a textech. Některé z nich jsou uvedeny v následující tabulce.

Fotografie hliníkové Leslieho kostky . Barevné fotografie jsou pořízeny pomocí infračervené kamery; černobílé fotografie vespod jsou pořízeny obyčejným fotoaparátem. Všechny plochy krychle mají stejnou teplotu asi 55 ° C (131 ° F). Tvář krychle, která byla namalována černě, má velkou emisivitu, což je naznačeno načervenalou barvou na infračervené fotografii. Leštěný povrch krychle má nízkou emisivitu indikovanou modrou barvou a odražený obraz teplé ruky je jasný.

Materiál	Emisivita
Alobal	0,03
Hliník, eloxovaný	0,9
Asfalt	0,88
Cihlový	0,90
Beton, hrubý	0,91
Měď , leštěná	0,04
Oxidovaná měď	0,87
Sklo , hladké (bez povrchové úpravy)	0,95
Led	0,97
Vápenec	0,92
Mramor (leštěný)	0,89 až 0,92
Barva (včetně bílé)	0,9
Papír, střešní krytina nebo bílá	0,88 až 0,86
Sádra , hrubá	0,89
Stříbrná , leštěná	0,02
Stříbro, oxidované	0,04
Kůže, člověk	0,97 až 0,999
Sníh	0,8 až 0,9
Přechodových kovů Disilicides (např MoSi ₂ nebo wsi ₂ )	0,86 až 0,93
Voda , čistá	0,96

Poznámky:

Tyto emisivity jsou celkové hemisférické emisivity z povrchů.
Hodnoty emisivity platí pro opticky silné materiály . To znamená, že absorpční schopnost na vlnových délkách typických pro tepelné záření nezávisí na tloušťce materiálu. Velmi tenké materiály vyzařují méně tepelného záření než silnější materiály.

Absorpce

Existuje základní vztah ( Gustav Kirchhoffův zákon tepelného záření z roku 1859), který rovná emisivitě povrchu s jeho absorpcí dopadajícího záření („ absorpční schopnost“ povrchu). Kirchhoffův zákon vysvětluje, proč emisivity nemohou překročit 1, protože největší absorpce - odpovídající úplné absorpci veškerého dopadajícího světla skutečně černým předmětem - je také 1. Zrcadlové, kovové povrchy, které odrážejí světlo, budou mít tedy nízké emisivity, protože odražené světlo není absorbováno. Leštěný stříbrný povrch má při pokojové teplotě emisivitu asi 0,02. Černé saze velmi dobře absorbují tepelné záření; má emisivitu až 0,97, a proto jsou saze spravedlivě přibližné ideálnímu černému tělu.

S výjimkou holých, leštěných kovů není vzhled povrchu oka dobrým vodítkem pro emisivity blízké pokojové teplotě. Bílá barva tedy absorbuje velmi málo viditelného světla. Na infračervené vlnové délce 10 x 10 - ⁶ metrů však barva velmi dobře absorbuje světlo a má vysokou emisivitu. Podobně čistá voda absorbuje velmi málo viditelného světla, ale voda je přesto silným infračerveným absorbérem a má odpovídajícím způsobem vysokou emisivitu.

Směrová spektrální emisivita

Kromě celkových hemisférických emisivit sestavených v tabulce výše lze změřit také složitější „ směrovou spektrální emisivitu “. Tato emisivita závisí na vlnové délce a na úhlu vycházejícího tepelného záření. Kirchhoffův zákon ve skutečnosti platí přesně pro tuto složitější emisivitu: emisivita pro tepelné záření vycházející v určitém směru a na konkrétní vlnové délce odpovídá absorpční schopnosti pro dopadající světlo se stejnou vlnovou délkou a úhlem. Celková hemisférická emisivita je váženým průměrem této směrové spektrální emisivity; průměr je popsán učebnicemi o „přenosu radiačního tepla“.

Emise

Emise (nebo emisní výkon) je celkové množství tepelné energie emitované na jednotku plochy za jednotku času pro všechny možné vlnové délky. Emisivita tělesa při dané teplotě je poměr celkové emisní síly tělesa k celkové emisní síle dokonale černého tělesa při této teplotě. Podle Planckova zákona se celková vyzařovaná energie zvyšuje s teplotou, zatímco vrchol emisního spektra se přesouvá na kratší vlnové délky. Energie emitovaná na kratších vlnových délkách se s teplotou zvyšuje rychleji. Například ideální černé těleso v tepelné rovnováze při 1273 K bude emitovat 97% své energie při vlnových délkách pod 14 μm.

Termín emisivita se obecně používá k popisu jednoduchého, homogenního povrchu, jako je stříbro. Podobné termíny, emitance a tepelná emise , se používají k popisu měření tepelného záření na složitých površích, jako jsou izolační výrobky.

Radiometrické jednotky SI

Radiometrické jednotky SI

proti

t

E
Množství		Jednotka		Dimenze	Poznámky
název	Symbol	název	Symbol	Symbol	Poznámky
Zářivá energie	Q _e	joule	J.	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Energie elektromagnetického záření.
Sálavá hustota energie	w _e	joule na metr krychlový	J/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²	Sálavá energie na jednotku objemu.
Sálavý tok	Φ _e	watt	W = J/s	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Sálavá energie vyzařovaná, odražená, vysílaná nebo přijímaná za jednotku času. Někdy se tomu také říká „zářivá síla“.
Spektrální tok	Φ _{e, ν}	watt na hertz	W/ Hz	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Sálavý tok na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří ve W⋅nm ⁻¹ .
Spektrální tok	Φ _{e, λ}	watt na metr	W/m	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Intenzita záření	I _{e, Ω}	watt na steradián	W/ sr	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻³	Sálavý tok vyzařovaný, odražený, vysílaný nebo přijímaný na jednotku pevného úhlu. Jedná se o směrovou veličinu.
Spektrální intenzita	I _{e, Ω, ν}	wattů na steradiánů a hertzů	W⋅sr ⁻¹ ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ L ² ⋅ T ⁻²	Intenzita záření na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří v W⋅sr ⁻¹ ⋅nm ⁻¹ . Jedná se o směrovou veličinu.
Spektrální intenzita	I _{e, Ω, λ}	watt na steradián na metr	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻¹	M ⋅ L ⋅ T ⁻³
Záře	L _{e, Ω}	watt na steradián na metr čtvereční	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻²	M ⋅ T ⁻³	Sálavý tok vyzařovaný, odražený, přenášený nebo přijímaný povrchem , na jednotku pevného úhlu na jednotku projektované plochy. Jedná se o směrovou veličinu. Tomu se někdy také matouco říká „intenzita“.
Spektrální záření	L _{e, Ω, ν}	watt na steradián na metr čtvereční na hertz	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Záření povrchu na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří v W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Jedná se o směrovou veličinu. Tomu se někdy také matoucím způsobem říká „spektrální intenzita“.
Spektrální záření	L _{e, Ω, λ}	watt na steradián na metr čtvereční, na metr	W⋅sr ⁻¹ ⋅m ⁻³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Hustota toku ozáření	E _e	watt na metr čtvereční	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Zářivý tok přijat prostřednictvím povrchu na jednotku plochy. Tomu se někdy také matouco říká „intenzita“.
Spektrální ozáření Hustota spektrálního toku	E _{e, v}	watt na metr čtvereční na hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Ozařování povrchu na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Tomu se někdy také matoucím způsobem říká „spektrální intenzita“. Mezi jednotky SI spektrální hustoty toku patří jansky (1 Jy = 10 ⁻²⁶ W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ ) a jednotka slunečního toku (1 sfu = 10 ⁻²² W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ = 10 ⁴ Jy).
Spektrální ozáření Hustota spektrálního toku	E _{e, λ}	watt na metr čtvereční, na metr	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Radiosita	J _e	watt na metr čtvereční	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Sálavý tok opouští (vyzařuje, odráží a přenáší) povrch na jednotku plochy. Tomu se někdy také matouco říká „intenzita“.
Spektrální radiozita	J _{e, ν}	watt na metr čtvereční na hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Radiosita povrchu na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří ve W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Tomu se někdy také matoucím způsobem říká „spektrální intenzita“.
Spektrální radiozita	J _{e, λ}	watt na metr čtvereční, na metr	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Radiantní odchod	M _e	watt na metr čtvereční	W/m ²	M ⋅ T ⁻³	Zářivý tok emitovaný o povrchu na jednotku plochy. Toto je vyzařovaná složka radiozity. „Radiantní emise“ je pro toto množství starý termín. Tomu se někdy také matouco říká „intenzita“.
Spektrální odchod	M _{e, ν}	watt na metr čtvereční na hertz	W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻²	Sálavý výstup povrchu na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří ve W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . „Spektrální vyzařování“ je pro toto množství starý termín. Tomu se někdy také matoucím způsobem říká „spektrální intenzita“.
Spektrální odchod	M _{e, λ}	watt na metr čtvereční, na metr	W/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻³
Sálavá expozice	H _e	joule na metr čtvereční	J/m ²	M ⋅ T ⁻²	Sálavá energie přijímaná povrchem na jednotku plochy nebo ekvivalentní ozáření povrchu integrovaného v průběhu času ozařování. Někdy se tomu také říká „zářivá fluence“.
Spektrální expozice	H _{e, ν}	joule na metr čtvereční na hertz	J⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹	M ⋅ T ⁻¹	Sálavá expozice povrchu na jednotku frekvence nebo vlnové délky. Ten se běžně měří v J⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ . Někdy se tomu také říká „spektrální fluence“.
Spektrální expozice	He _{, λ}	joule na metr čtvereční, na metr	J/m ³	M ⋅ L ⁻¹ ⋅ T ⁻²
Pologulová emisivita	ε	N/A		1	Sálavý výstup povrchu , dělený černým tělesem při stejné teplotě jako tento povrch.
Spektrální hemisférická emisivita	ε _ν nebo ε _λ	N/A		1	Spektrální výstup z povrchu dělený černým tělesem při stejné teplotě jako tento povrch.
Směrová emisivita	ε _Ω	N/A		1	Záření vyzařované o povrchu , dělená vyzařované z černého tělesa při stejné teplotě jako povrch.
Spektrální směrová emisivita	ε _{Ω, ν} nebo ε _{Ω, λ}	N/A		1	Spektrální záření emitované o povrchu , dělený, že z černého tělesa při stejné teplotě jako povrch.
Polokulová absorpce	A	N/A		1	Zářivý tok absorbován prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu. To by nemělo být zaměňováno s „ absorpcí “.
Spektrální hemisférická absorbance	A _ν nebo A _λ	N/A		1	Spektrální tok absorbován prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu. To by nemělo být zaměňováno se „ spektrální absorbancí “.
Směrová pohltivost	A _Ω	N/A		1	Záření absorbováno pomocí povrchu , dělený sálání dopadá na tento povrch. To by nemělo být zaměňováno s „ absorpcí “.
Spektrální směrová absorbance	A _{Ω, ν} nebo A _{Ω, λ}	N/A		1	Spektrální záření absorbováno pomocí povrchu , dělený spektrální záření dopadá na tento povrch. To by nemělo být zaměňováno se „ spektrální absorbancí “.
Polokulová odrazivost	R.	N/A		1	Zářivý tok odráží o povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Spektrální polokulová odrazivost	R _ν nebo R _λ	N/A		1	Spektrálního záření odráží o povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Směrová odrazivost	R _Ω	N/A		1	Záření odráží pomocí povrchem , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Spektrální směrová odrazivost	R _{Ω, ν} nebo R _{Ω, λ}	N/A		1	Spektrální záření odráží o povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Polokulová propustnost	T	N/A		1	Zářivý tok přenášen prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Spektrální hemisférická propustnost	T _ν nebo T _λ	N/A		1	Spektrálního záření přenášené prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Směrová propustnost	T _Ω	N/A		1	Záření přenášené prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Spektrální směrová propustnost	T _{Ω, ν} nebo T _{Ω, λ}	N/A		1	Spektrální záření přenášené prostřednictvím povrchu , dělená, které obdrží od tohoto povrchu.
Pologulový součinitel útlumu	μ	reciproční metr	m ^-1	L ^-1	Zářivý tok vstřebává a rozptýlené o objemu na jednotku délky, dělený, které obdrží od svazku.
Spektrální hemisférický koeficient útlumu	μ _ν nebo μ _λ	reciproční metr	m ^-1	L ^-1	Spektrální Zářivý tok absorbován a rozptýlené o objemu na jednotku délky, dělený, které obdrží od svazku.
Součinitel směrového útlumu	μ _Ω	reciproční metr	m ^-1	L ^-1	Záření absorbuje a rozptýlené o objemu na jednotku délky, dělený, které obdrží od svazku.
Spektrální směrový koeficient útlumu	μ _{Ω, ν} nebo μ _{Ω, λ}	reciproční metr	m ^-1	L ^-1	Spektrální záření absorbuje a rozptýlené o objemu na jednotku délky, dělený, které obdrží od svazku.
Viz také: SI · Radiometrie · Fotometrie

Viz také

Reference

Další čtení

„Spektrální emisivita a emise“ . Southampton, PA: Temperatures.com, Inc. Archivováno od originálu dne 4. dubna 2017.Otevřený komunitní web a adresář se zdroji souvisejícími se spektrální emisivitou a emisí. Na tomto webu se zaměřujeme na dostupná data, odkazy a odkazy na zdroje související se spektrální emisivitou, jak jsou měřeny a používány v termometrii a termografii tepelného záření a termografii (termovizi).
„Koeficienty emisivity některých běžných materiálů“ . engineeringtoolbox.com.Zdroje, nástroje a základní informace pro inženýrství a návrh technických aplikací. Tato stránka nabízí rozsáhlý seznam dalšího materiálu, který není uveden výše.

Languages

In other projects