Thermalradiation ist elektromagnetische Radiation, die durch die Wärmebewegung von beladenen Partikeln in der Sache erzeugt ist. Die ganze Sache mit einer Temperatur, die größer ist als absolute Null, strahlt Thermalradiation aus. Der Mechanismus besteht darin, dass Körper mit einer Temperatur über der absoluten Null Atome oder Moleküle mit kinetischen Energien haben, die sich ändern, und diese Änderungen auf Anklage-Beschleunigung und/oder Dipolschwingung der Anklagen hinauslaufen, die die Atome zusammensetzen. Diese Bewegung von Anklagen erzeugt elektromagnetische Radiation auf die übliche Weise. Jedoch widerspiegelt das Seitenspektrum dieser Radiation das breite Spektrum von Energien und die Beschleunigungen der Anklagen in jedem Stück der Sache bei sogar einer einzelnen Temperatur.

Beispiele der Thermalradiation schließen das sichtbare leichte und infrarote Licht ein, das durch eine Glühglühbirne, die Infrarotradiation ausgestrahlt ist, die von Tieren ausgestrahlt ist und mit einer Infrarotkamera und der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation feststellbar ist. Thermalradiation ist von der Thermalkonvektion und Wärmeleitung verschieden - eine Person in der Nähe von einem wütenden Feuer fühlt sich leuchtend, vom Feuer heizend, selbst wenn die Umgebungsluft sehr kalt ist.

Sonnenlicht ist durch das heiße Plasma der Sonne erzeugte Thermalradiation. Die Erde strahlt auch Thermalradiation aus, aber an einer viel niedrigeren Intensität und verschiedener geisterhafter Vertrieb (infrarot aber nicht sichtbar), weil es kühler ist. Die Absorption der Erde der Sonnenstrahlung, die von seiner aus dem Amt scheiden Thermalradiation gefolgt ist, ist die zwei wichtigsten Prozesse, die die Temperatur und das Klima der Erde bestimmen.

Wenn ein strahlenausstrahlender Gegenstand die physischen Eigenschaften eines schwarzen Körpers im thermodynamischen Gleichgewicht entspricht, wird die Radiation blackbody Radiation genannt. Das Gesetz von Planck beschreibt das Spektrum der blackbody Radiation, die nur von der Temperatur des Gegenstands abhängt. Das Versetzungsgesetz von Wien bestimmt die wahrscheinlichste Frequenz der ausgestrahlten Radiation, und das Gesetz von Stefan-Boltzmann gibt die leuchtende Intensität.

In der Technik wird Thermalradiation als eine der grundsätzlichen Methoden der Wärmeübertragung betrachtet, obwohl ein Physiker wahrscheinlich Energieübertragung durch die Thermalradiation als einen Fall einer Systemaufführungsarbeit an einem anderen über die elektromagnetische Radiation betrachten und sagen würde, dass Hitze eine Übertragung der Energie ist, die keine Arbeit tut. Der Unterschied ist ausschließlich eine der Nomenklatur.

Übersicht

Thermalradiation ist die Emission von elektromagnetischen Wellen von der ganzen Sache, die eine Temperatur hat, die größer ist als absolute Null. Es vertritt eine Konvertierung der Thermalenergie in die elektromagnetische Energie. Thermalenergie läuft auf kinetische Energie auf die zufälligen Bewegungen von Atomen und Molekülen in der Sache hinaus. Die ganze Sache mit einer Temperatur wird definitionsgemäß aus Partikeln zusammengesetzt, die kinetische Energie haben, und die mit einander aufeinander wirken. Diese Atome und Moleküle werden aus beladenen Partikeln, d. h., Protone und Elektronen zusammengesetzt, und kinetische Wechselwirkungen unter Sache-Partikeln laufen auf Anklage-Beschleunigung und Dipolschwingung hinaus. Das läuft auf die electrodynamic Generation von verbundenen elektrischen und magnetischen Feldern hinaus, auf die Emission von Fotonen hinauslaufend, Energie weg vom Körper durch seine Oberflächengrenze ausstrahlend. Elektromagnetische Radiation oder Licht, verlangt nicht, dass sich die Anwesenheit der Sache fortpflanzt und Reisen im Vakuum des Raums, ungeheuer weit wenn unversperrt.

Die Eigenschaften der Thermalradiation hängen von verschiedenen Eigenschaften der Oberfläche ab, die sie von, einschließlich seiner Temperatur, seiner geisterhaften Aufnahmefähigkeit und geisterhafter emissive Macht, wie ausgedrückt, durch das Gesetz von Kirchhoff ausströmt. Die Radiation ist nicht monochromatisch, d. h. sie besteht aus gerade einer einzelnen Frequenz nicht, aber umfasst eine dauernde Streuung von Foton-Energien, seinem charakteristischen Spektrum. Wenn der ausstrahlende Körper und seine Oberfläche im thermodynamischen Gleichgewicht sind und die Oberfläche vollkommene Aufnahmefähigkeit an allen Wellenlängen hat, wird es als ein schwarzer Körper charakterisiert. Ein schwarzer Körper ist auch ein vollkommener Emitter. Die Radiation solcher vollkommenen Emitter wird Radiation des schwarzen Körpers genannt. Das Verhältnis der Emission jedes Körpers hinsichtlich dieses eines schwarzen Körpers ist das Emissionsvermögen des Körpers, so dass ein schwarzer Körper ein Emissionsvermögen der Einheit hat.

Aufnahmefähigkeit, Reflexionsvermögen und Emissionsvermögen aller Körper sind von der Wellenlänge der Radiation abhängig. Die Temperatur bestimmt den Wellenlänge-Vertrieb der elektromagnetischen Radiation. Zum Beispiel scheint frischer Schnee, der zum sichtbaren Licht (Reflexionsvermögen ungefähr 0.90) hoch reflektierend ist, weiß wegen des nachdenkenden Sonnenlichtes mit einer Maximalwellenlänge von ungefähr 0.5 Mikrometern. Sein Emissionsvermögen, jedoch, bei einer Temperatur von ungefähr-5 °C, Maximalwellenlänge von ungefähr 12 Mikrometern, ist 0.99.

Der Vertrieb der Macht, die ein schwarzer Körper mit der unterschiedlichen Frequenz ausstrahlt, wird durch das Gesetz von Planck beschrieben. Bei jeder gegebenen Temperatur gibt es eine Frequenz f, an dem die ausgestrahlte Macht ein Maximum ist. Das Versetzungsgesetz von Wien und die Tatsache, dass die Frequenz des Lichtes zu seiner Wellenlänge im Vakuum umgekehrt proportional ist, bedeuten, dass die Maximalfrequenz f zur absoluten Temperatur T des schwarzen Körpers proportional ist. Der Photobereich der Sonne, bei einer Temperatur von etwa 6000 K, strahlt Radiation hauptsächlich im sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums aus. Die Atmosphäre der Erde ist zum sichtbaren Licht teilweise durchsichtig, und das Licht, das die Oberfläche erreicht, wird absorbiert oder widerspiegelt. Die Oberfläche der Erde strahlt die absorbierte Radiation aus, dem Verhalten eines schwarzen Körpers an 300 K mit der geisterhaften Spitze an f näher kommend. An diesen niedrigeren Frequenzen ist die Atmosphäre größtenteils undurchsichtig, und die Radiation von der Oberfläche der Erde wird absorbiert oder durch die Atmosphäre gestreut. Obwohl eine Radiation in den Raum flüchtet, wird sie absorbiert und nachher durch atmosphärisches Benzin wiederausgestrahlt. Es ist diese geisterhafte Selektivität der Atmosphäre, die für den planetarischen Treibhauseffekt verantwortlich ist, zu Erderwärmung und Klimaveränderung im Allgemeinen beitragend.

Die allgemeine Haushaltsglühglühbirne hat ein Spektrum, das auf die schwarzen Körperspektren der Sonne und der Erde übergreift. Ein Teil der Fotonen, die durch einen Wolfram-Glühbirne-Glühfaden an 3000 K ausgestrahlt sind, ist im sichtbaren Spektrum. Jedoch wird der grösste Teil der Energie mit Fotonen von längeren Wellenlängen vereinigt; diese helfen keiner Person zu sehen, aber übertragen noch Hitze der Umgebung, wie empirisch durch das Beobachten einer Haushaltsglühglühbirne abgeleitet werden kann. Wann auch immer EM Radiation ausgestrahlt und dann absorbiert wird, wird Hitze übertragen. Dieser Grundsatz wird in Mikrowellengeräten, Laserausschnitt und RF Haareliminierung verwendet.

Verschieden vom leitenden und den Convective-Formen der Wärmeübertragung kann Thermalradiation in einem winzigen Punkt durch das Verwenden von nachdenkenden Spiegeln konzentriert werden. Das Konzentrieren der Sonnenmacht nutzt diese Tatsache aus. In vielen solchen Systemen werden Spiegel verwendet, um Sonnenlicht in ein kleineres Gebiet zu konzentrieren. Anstatt Spiegel können Linsen von Fresnel auch verwendet werden, um Hitzefluss zu konzentrieren. Jede Methode kann verwendet werden, um Wasser in den Dampf mit dem Sonnenlicht schnell zu verdunsten. Zum Beispiel heizt das von Spiegeln widerspiegelte Sonnenlicht das PS10 Sonnenkraftwerk, und während des Tages kann es Wasser zu 285 °C (558.15 K) oder 545 °F heizen.

Oberflächeneffekten

Leichtere Farben und absorbieren auch Weiße und metallische Substanzen weniger Leuchtlicht, und heizen so weniger an; aber sonst Farben-macht kleinen Unterschied bezüglich der Wärmeübertragung zwischen einem Gegenstand bei täglichen Temperaturen und seinen Umgebungen, da die dominierenden ausgestrahlten Wellenlängen nirgends in der Nähe vom sichtbaren Spektrum, aber eher in weitem infrarot sind. Das Emissionsvermögen an jenen Wellenlängen hat wenig, um mit dem Sehemissionsvermögen (sichtbare Farben) zu tun; in weitem infrarot haben die meisten Gegenstände hohes Emissionsvermögen. So, außer im Sonnenlicht, macht die Farbe der Kleidung wenig Unterschied bezüglich der Wärme; ebenfalls macht die Farbe-Farbe von Häusern wenig Unterschied zur Wärme außer, wenn der gemalte Teil sonnenbeschienen ist.

Die Hauptausnahme dazu ist glänzende Metalloberflächen, die niedriges Emissionsvermögen sowohl in den sichtbaren Wellenlängen als auch in weitem infrarot haben. Solche Oberflächen können verwendet werden, um Wärmeübertragung in beiden Richtungen zu reduzieren; ein Beispiel davon ist die Mehrschicht-Isolierung, die verwendet ist, um Raumfahrzeug zu isolieren.

Fenster des niedrigen Emissionsvermögens in Häusern sind eine mehr komplizierte Technologie, da sie niedriges Emissionsvermögen an Thermalwellenlängen haben müssen, während sie durchsichtig zum sichtbaren Licht bleiben.

Eigenschaften

Es gibt vier Haupteigenschaften, die Thermalradiation charakterisieren:

• Thermalradiation, die durch einen Körper bei jeder Temperatur ausgestrahlt ist, besteht aus einer breiten Reihe von Frequenzen. Der Frequenzvertrieb wird durch das Gesetz von Planck der Radiation des schwarzen Körpers für einen idealisierten Emitter gegeben. Das wird im rechten Diagramm gezeigt.
• Die dominierende Frequenz (oder Farbe) Reihe der ausgestrahlten Radiation bewegt sich zu höheren Frequenzen als die Temperatur der Emitter-Zunahmen. Zum Beispiel strahlt ein roter heißer Gegenstand hauptsächlich in den langen Wellenlängen (rot und orange) des sichtbaren Bandes aus. Wenn es weiter geheizt wird, beginnt es auch, wahrnehmbare Beträge des grünen und blauen Lichtes auszustrahlen, und die Ausbreitung von Frequenzen in der kompletten sichtbaren Reihe veranlasst es, weiß zum menschlichen Auge zu scheinen; es ist heiß weiß. Jedoch, sogar bei einer weißglühenden Temperatur von 2000 K, sind 99 % der Energie der Radiation noch in infrarot. Das wird durch das Versetzungsgesetz von Wien bestimmt. Im Diagramm bewegt sich der Maximalwert für jede Kurve nach links, als die Temperatur zunimmt.
• Die Summe der Radiation aller Frequenzen nimmt steil zu, als sich die Temperatur erhebt; es wächst als T, wo T die absolute Temperatur des Körpers ist. Ein Gegenstand bei der Temperatur eines Küchenofens, über zweimal die Raumtemperatur auf der Skala der absoluten Temperatur (600 K gegen 300 K) strahlt 16mal so viel Macht pro Einheitsgebiet aus. Ein Gegenstand bei der Temperatur des Glühfadens in einer Glühglühbirne - ungefähr 3000 K oder der Raumtemperatur von 10 Malen — strahlt 10,000mal so viel Energie pro Einheitsgebiet aus. Die Gesamtstrahlungsintensität eines schwarzen Körpers erhebt sich als die vierte Macht der absoluten Temperatur, wie ausgedrückt, durch das Gesetz von Stefan-Boltzmann. Im Anschlag wächst das Gebiet unter jeder Kurve schnell, als die Temperatur zunimmt.
• Die Rate der elektromagnetischen an einer gegebenen Frequenz ausgestrahlten Radiation ist im Wert von der Absorption proportional, die es durch die Quelle erfahren würde. So strahlt eine Oberfläche, die mehr roten Licht thermisch absorbiert, mehr roten Licht aus. Dieser Grundsatz gilt für alle Eigenschaften der Welle, einschließlich der Wellenlänge (Farbe), Richtung, Polarisation und sogar Kohärenz, so dass es ziemlich möglich ist, Thermalradiation zu haben, die polarisiert, zusammenhängend, und, obwohl polarisiert, und zusammenhängende Formen gerichtet wird, sind in der Natur ziemlich selten.

Diese Eigenschaften gelten, wenn die betrachteten Entfernungen viel größer sind als die Wellenlängen, die zum Spektrum (am bedeutendsten von 8-25 Mikrometern an 300 K) beitragen. Tatsächlich nimmt Thermalradiation hier nur Reisen-Wellen in die Rechnung. Ein hoch entwickelteres Fachwerk, das elektromagnetische Theorie einschließt, muss für niedrigere Entfernungen (Nah-Feldthermalradiation) verwendet werden.

Austausch der Energie

Thermalradiation ist einer der Grundsatz-Mechanismen der Wärmeübertragung. Es hat die Emission eines Spektrums der elektromagnetischen Radiation wegen einer Temperatur eines Gegenstands zur Folge. Andere Mechanismen sind Konvektion und Leitung. Das Wechselspiel des Energieaustausches durch die Thermalradiation wird durch die folgende Gleichung charakterisiert:

:

Hier, vertritt die geisterhafte Absorption bildender, geisterhafter Nachdenken-Bestandteil und der geisterhafte Übertragungsbestandteil. Diese Elemente sind eine Funktion der Wellenlänge der elektromagnetischen Radiation. Die geisterhafte Absorption ist dem Emissionsvermögen gleich; diese Beziehung ist als das Gesetz von Kirchhoff der Thermalradiation bekannt. Ein Gegenstand wird einen schwarzen Körper genannt, wenn, für alle Frequenzen, die folgende Formel gilt:

In einer praktischen Situation und Raumtemperatureinstellung verlieren Menschen beträchtliche Energie wegen der Thermalradiation. Jedoch wird die verlorene Energie durch das Ausstrahlen des Infrarotlichtes durch das Aufsaugen des Hitzeflusses wegen der Leitung davon teilweise wiedergewonnen, Gegenstände und den Rest zu umgeben, der sich aus erzeugter Hitze durch den Metabolismus ergibt. Menschliche Haut hat ein Emissionsvermögen sehr in der Nähe von 1.0. Das Verwenden der Formeln zeigt unten, dass ein Mensch, ungefähr 2 Quadratmeter in der Fläche und eine Temperatur von ungefähr 307 K habend, unaufhörlich etwa 1000 Watt ausstrahlt. Jedoch, wenn Leute zuhause, umgeben durch Oberflächen an 296 K sind, erhalten sie zurück ungefähr 900 Watt von der Wand, der Decke und den anderen Umgebungen, so ist der Nettoverlust nur ungefähr 100 Watt. Diese Wärmeübertragungsschätzungen sind von unwesentlichen Variablen, wie das Tragen der Kleidung, d. h. das Verringern des Gesamtthermalstromkreis-Leitvermögens hoch abhängig, deshalb Gesamtproduktionshitzefluss reduzierend. Nur aufrichtig graue Systeme (relatives gleichwertiges Emissionsvermögen/Aufnahmefähigkeit und keine transmissivity Richtungsabhängigkeit in allen Kontrollvolumen-Körpern betrachtet) können angemessene Steady-Statehitzefluss-Schätzungen durch das Gesetz von Stefan-Boltzmann erreichen. Das Antreffen auf diese "ideal berechenbare" Situation ist eigentlich unmöglich (obwohl allgemeine Technikverfahren die Abhängigkeit dieser unbekannten Variablen übergeben und das "annehmen" der Fall zu sein). Optimistisch werden diese "grauen" Annäherungen Sie in der Nähe von echten Lösungen bekommen, weil der grösste Teil der Abschweifung von Lösungen von Stefan-Boltzmann (besonders in kontrollierten Umgebungen des grössten Teiles des STP Laboratoriums) sehr klein ist.

Wenn Gegenstände weiß scheinen (reflektierend im Sehspektrum), sind sie (und so non-emissive) in Thermalinfrarot nicht notwendigerweise ebenso reflektierend; z.B werden die meisten Haushaltsheizkörper weiß gemalt, ungeachtet der Tatsache dass sie gute Thermalheizkörper sein müssen. Acryl und gestützte weiße Farben des Urethans haben 93 % blackbody Strahlenleistungsfähigkeit bei der Raumtemperatur (das Meinen, dass der Begriff "schwarzer Körper" der visuell wahrgenommenen Farbe eines Gegenstands nicht immer entspricht). Diese Materialien, die der "schwarzen Farbe = hohes Emissionsvermögen/Aufnahmefähigkeit" Verwahrung nicht folgen, werden am wahrscheinlichsten funktionelle geisterhafte Abhängigkeit des Emissionsvermögens/Aufnahmefähigkeit haben.

Die Berechnung der Strahlungswärmeübertragung zwischen Gruppen des Gegenstands, einschließlich einer 'Höhle' oder 'Umgebungen' verlangt Lösung einer Reihe gleichzeitiger Gleichungen mit der Methode von Radiosity. In diesen Berechnungen ist die geometrische Konfiguration des Problems zu einer Reihe von Zahlen genannt Ansicht-Faktoren destilliert, die das Verhältnis der Radiation geben, jede gegebene Oberfläche verlassend, die eine andere spezifische Oberfläche schlägt. Diese Berechnungen sind in den Feldern von Sonnenthermalenergie, Boiler und Brennofen-Design und raytraced Computergrafik wichtig.

Eine auswählende Oberfläche kann verwendet werden, wenn Energie aus der Sonne herausgezogen wird. Zum Beispiel, wenn ein grünes Haus gemacht wird, wird der grösste Teil des Daches und der Wände aus dem Glas gemacht. Glas ist im sichtbaren durchsichtig (etwa 0.4 µm

Wenn wir eine Oberfläche wie ein Glasfenster haben, mit dem wir gern die Wärmeübertragung davon reduzieren würden, kann ein klarer reflektierender Film mit einem niedrigen Emissionsvermögen-Überzug auf dem Interieur der Wand gelegt werden. "Niedrige Ausstrahlung (niedrige-E) Überzüge, ist eigentlich unsichtbare, metallene oder metallische Oxydschichten mikroskopisch dünn, die auf einem Fenster oder Dachluke-Verglasungsoberfläche in erster Linie abgelegt sind, um den U-Faktor durch das Unterdrücken des Strahlungshitzeflusses zu reduzieren". Indem wir diesen Überzug hinzufügen, beschränken wir den Betrag der Radiation, die das Fenster verlässt, das so den Betrag der Hitze vergrößert, die innerhalb des Fensters behalten wird.

Strahlungswärmeübertragung

Die Strahlungswärmeübertragung von einer Oberfläche bis einen anderen ist der Radiation gleich, die in die erste Oberfläche vom anderen minus die Radiation eingeht, die erste Oberfläche verlassend.

• Für einen schwarzen Körper

Mit der Reziprozitätsregel, vereinfacht das zu:

wo der unveränderliche Stefan-Boltzmann ist.

• Für einen grauen Körper mit nur zwei Oberflächen ist die Wärmeübertragung gleich:

Jedoch kann sich dieser Wert für verschiedene Verhältnisse leicht ändern, und verschiedene Gleichungen sollten auf einem Fall pro Fall-Basis verwendet werden.

Strahlungsmacht

Die Thermalstrahlenmacht eines schwarzen Körpers pro Einheit des Raumwinkels und pro Einheitsfrequenz wird durch das Gesetz von Planck als gegeben:

oder

wo eine Konstante ist.

Diese Formel folgt mathematisch aus Berechnung des geisterhaften Vertriebs der Energie im gequantelten elektromagnetischen Feld, das im ganzen Thermalgleichgewicht mit dem ausstrahlenden Gegenstand ist. Die Gleichung wird als eine unendliche Summe über alle möglichen Frequenzen abgeleitet. Die Energie, jedes Fotons wird mit der Zahl von Staaten multipliziert, die an dieser Frequenz und der Wahrscheinlichkeit verfügbar sind, dass jeder jener Staaten besetzt wird.

Die Integrierung der obengenannten Gleichung über die durch das Gesetz von Stefan-Boltzmann gegebene Macht-Produktion wird als erhalten:

wo die Konstante der Proportionalität der Stefan-Boltzmann unveränderlich ist und die ausstrahlende Fläche ist.

Weiter wird die Wellenlänge, für die die Emissionsintensität am höchsten ist, durch das Gesetz von Wien als gegeben:

Für Oberflächen, die nicht schwarze Körper sind, muss man (allgemein Frequenzabhängiger) Emissionsvermögen-Faktor in Betracht ziehen. Dieser Faktor muss mit der Strahlenspektrum-Formel vor der Integration multipliziert werden. Wenn es als eine Konstante genommen wird, kann die resultierende Formel für die Macht-Produktion in einem Weg geschrieben werden, der als ein Faktor enthält:

Dieser Typ des theoretischen Modells, mit dem frequenzunabhängigen Emissionsvermögen tiefer als dieser eines vollkommenen schwarzen Körpers, ist häufig als ein grauer Körper bekannt. Für das frequenzabhängige Emissionsvermögen hängt die Lösung für die einheitliche Macht von der funktionellen Form der Abhängigkeit ab, obwohl im Allgemeinen es keinen einfachen Ausdruck dafür gibt. Praktisch sprechend, wenn das Emissionsvermögen des Körpers um die Maximalemissionswellenlänge grob unveränderlich ist, neigt das graue Körpermodell dazu, ziemlich gut zu arbeiten, da das Gewicht der Kurve um die Maximalemission dazu neigt, das Integral zu beherrschen.

Konstanten

Definitionen von in den obengenannten Gleichungen verwendeten Konstanten:

Variablen

Definitionen von Variablen, mit Beispiel-Werten:

Siehe auch

• Schwarzer Körper
• Weißglut
• Infrarotfotografie
• Innenstrahlenkontrollüberzug
• Radiation von Planck
• Sakuma-Hattori Gleichung
• Thermaldosis-Einheit
• Thermographie
• Ansicht-Faktor

Das zusammenhängende Lesen:

• E.M. Sparrow und R.D. Cess. Strahlenwärmeübertragung. Hemisphere Publishing Corporation, 1978.

Links

• Schwarze Körperemissionsrechenmaschine
• Wärmeübertragung
• Thermalradiation
• Atmosphärische Radiation
• Infrarottemperaturkalibrierung 101