Emissivitet

Hver krop med en temperatur over absolut nul udsender termisk stråling . Et legems emissivitet angiver, hvor meget stråling det udsender sammenlignet med en ideel varmemitter, en sort krop . Denne værdi er altid mellem 0 (ingen absorption) og 1 (100% absorption).

Sort legeme som en strålingsreference

To visninger af en Leslie-terning , alle sider af terningen har samme temperatur, men med forskellige emissionsgrader. Billede taget med et termisk billedkamera og i sammenligning i det synlige område

En sort krop er en hypotetisk idealiseret krop, der fuldstændigt absorberer enhver elektromagnetisk stråling, den rammer ved enhver frekvens . Ifølge Kirchhoffs strålingslov er absorptionen og emissiviteten af en krop altid proportional. Da den sorte krop har den størst mulige absorptionskapacitet ved hver frekvens (nemlig 100%), skal den også udsende den stærkeste fysisk mulige termiske strålingsoutput ved hver frekvens, der er mulig ved den givne temperatur . Med andre ord: Hvis den står ved siden af en anden krop med samme navn med en lavere emissivitet, afgiver den sin energi hurtigere og skinner også lysere end den anden krop.

Da den stråler lige så maksimalt i alle retninger, er den stråling, den udsender, lige så stærk i alle retninger; den udstråler helt diffust . Derudover afhænger intensiteten og frekvensfordelingen af en sort krops stråling ikke af dens materielle natur eller af dens historie, men kun af dens temperatur; de er beskrevet af Plancks lov om stråling .

Den universelle karakter af den termiske stråling, der udsendes af en sort krop, og det faktum, at ingen ægte krop kan udstråle stærkere end en sort krop ved en hvilken som helst frekvens, tyder på, at en ægte krops emissivitet skal indstilles til den maksimalt mulige værdi, der gives af den sorte krop henholdsvis. Forholdet mellem strålingsintensiteten, der udsendes af et legeme, og strålingsintensiteten af en sort krop ved samme temperatur kaldes kroppens emissivitet. Emissiviteten kan have værdier mellem 0 og 1. Afhængigt af om frekvensen og retningsfordelingen af strålingen skal tages i betragtning, kan der angives fire forskellige emissiviteter.

Et legems emissivitet skal være kendt, så dets temperatur kan bestemmes ud fra intensiteten af den varmestråling, der udsendes ved hjælp af et pyrometer eller et termisk billedkamera .

Emissiviteter

Direkt spektral emissivitet

Den spektrale udstråling (enhed: W · m ⁻² · Hz ⁻¹ · sr ⁻¹ ) af et legeme af temperatur angiver, hvilken stråling der styrker kroppen ved frekvensen i den retning, der er angivet af den polære vinkel og azimutvinklen pr. Område pr. frekvensbredde og udsender pr. fast vinkel . Den spektrale udstråling af en sort krop er uafhængig af retning og er givet af Plancks lov om stråling. ${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T)}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ varphi}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

Den rettet spektrale emissivitet af et legeme er forholdet mellem den spektrale udstråling, der udsendes af et overfladeelement i kroppen ved frekvensen i den givne vinkel og retning til den spektrale udstråling, der udsendes af et sort legeme med den samme temperatur ved den samme frekvens i den samme retning : ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ varphi}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} (\ beta, \ varphi, \ nu, T)}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega \ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

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

.

Halvkugle spektral emissivitet

Den spektralspecifikke stråling (enhed: W · m ^-2 · Hz ^-1 ) af et temperaturlegeme angiver, hvilken strålingseffekt kroppen udsender ved frekvensen i hele halvrummet pr. Arealenhed og pr. Enhedsfrekvensinterval. Den spektrale specifikke stråling af en sort krop er givet af Plancks lov om stråling. ${\ displaystyle \, M _ {\ nu} (\ nu, T)}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle M _ {\ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

Et legems hemisfæriske spektrale emissivitet er forholdet mellem den spektralspecifikke stråling, der udsendes af et overfladeelement i kroppen ved frekvensen i det halve rum til den spektralspecifikke stråling, der udsendes af en sort krop med samme temperatur ved den samme frekvens i halv plads : ${\ displaystyle \ nu}$ ${\ displaystyle \, M _ {\ nu} (\ nu, T)}$ ${\ displaystyle M _ {\ nu} ^ {o} (\ nu, T)}$

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

Rettet total emissivitet

Den totale udstråling eller udstråling (enhed: W m ^-2 sr ⁻¹ ) af et temperaturlegeme angiver, hvilken strålingseffekt kroppen udsender ved alle frekvenser i den retning, der er angivet af den polære vinkel og azimutvinklen pr. Arealenhed og pr. Fast vinkel enhed. Strålingen fra en sort krop er uafhængig af retning og er givet af Plancks strålingslov. ${\ displaystyle L _ {\ Omega} (\ beta, \ varphi, T)}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ varphi}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega} ^ {o} (T)}$

Den rettet totale emissivitet af et legeme er forholdet mellem den udstråling, der udsendes af et overfladeelement i kroppen ved alle frekvenser i den givne vinkel og retning til den udstråling, der udsendes af et sort legeme med samme temperatur ved alle frekvenser i samme retning : ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ varphi}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega} (\ beta, \ varphi, T)}$ ${\ displaystyle L _ {\ Omega} ^ {o} (T)}$

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

Halvkugleformet total emissivitet

Den specifikke stråling (enhed: W · m ^-2 ) af et temperaturlegeme angiver, hvilken strålingskraft kroppen udsender pr. Arealenhed ved alle frekvenser i halvrummet. Den specifikke stråling af en sort krop er givet af Stefan-Boltzmann-loven . ${\ displaystyle \, M (T)}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \, M ^ {o} (T)}$

Den samlede halvkugleformede emissivitet af et legeme er forholdet mellem den specifikke stråling, der udsendes af et overfladeelement i kroppen ved alle frekvenser i halvrummet og udstrålingen, der udsendes af en sort krop med samme temperatur ved alle frekvenser i halvrummet : ${\ displaystyle \, M (T)}$ ${\ displaystyle \, M ^ {o} (T)}$

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

Alle strålestørrelser og emissiviteter kan naturligvis også formuleres som en funktion af bølgelængden i stedet for frekvensen.

ejendomme

Alle fire beskrevne emissiviteter er materielle egenskaber for det pågældende legeme (i tilfælde af absorptionsgrader defineret på samme måde gælder dette kun for den rettet spektralabsorptionsgrad). Den retningsbestemte spektrale emissivitet beskriver retning og frekvensafhængighed af den udsendte stråling sammenlignet med strålingen udsendt af en sort krop. Den halvkugleformede spektrale emissivitet beskriver kun frekvensafhængigheden, den rettede samlede emissivitet kun den retningsbestemte afhængighed og den halvkugleformede totale emissivitet kun den samlede udstrålede effekt. For mange materialer er kun sidstnævnte kendt.

Et legeme, hvis rettede spektrale emissivitet ikke afhænger af retningen, er en Lambert-radiator ; det udsender fuldstændig diffus stråling. Et legeme, hvis dirigerede spektrale emissivitet ikke afhænger af frekvensen, er en grå krop . I begge tilfælde er der ofte betydelige forenklinger af strålingsberegninger , så virkelige legemer ofte - så vidt muligt - næsten betragtes som diffuse udsendere og grå kroppe.

Ifølge kirchhoffs strålingslov er den rettet spektralemissivitet lig med den rettet spektralabsorption for hver krop. For de øvrige grader af emission og absorption gælder det samme kun under yderligere forhold.

Tabeller

Grundlæggende skal oplysningerne om emissivitet i de mange tabeller, der findes, behandles med forsigtighed. På grund af de mange mulige variationer, som sjældent alle er specificeret, kan der være større forskelle.

Eksempler på emissiviteter af ikke-metalliske overflader.
materiale	Temperatur / ° C ${\ displaystyle \ vartheta}$	Total emissivitet i retning af overfladens normale ${\ displaystyle \ varepsilon _ {n}}$	Total halvkugleformet emissivitet ${\ displaystyle \ varepsilon}$
bøgetræ	70	0,94	0,91
Is, glat, tykkelse> 4 mm	−9.6	0,965	0,918
Emaljelakering , hvid	20.	0,91
kul	150	0,81
Papir, hvid, mat	95	0,92	0,89
Moden overflade, ru	0	0,985
sand	20.	0,76
Pladeglas, 6 mm tyk	−60… 0	0,910
	60	0,913
	120	0,919
Sodakalkglas	9,85	0,837
Vand, tykkelse> 0,1 mm	10 ... 50	0,965	0,91

Eksempler på emissiviteter af metaloverflader
materiale	Temperatur / ° C ${\ displaystyle \ vartheta}$	Total emissivitet i retning af overfladens normale ${\ displaystyle \ varepsilon _ {n}}$	Total halvkugleformet emissivitet ${\ displaystyle \ varepsilon}$
Jern poleret	−73 ... 727	0,04 ... 0,19	0,06 ... 0,25
-, oxideret	−73 ... 727	0,32 ... 0,60
-, slibet bar	25	0,24
-, ætset blankt	150	0,128	0,158
-, støbt hud	100	0,80
-, rusten	25	0,61
-, dårligt rustet	20.	0,85
Guld , poleret	227 ... 627	0,020 ... 0,035
-, oxideret	−173 ... 827		0,013 ... 0,070
Kobber poleret	327 ... 727	0,012 ... 0,019
-, oxideret	130	0,76	0,725
- stærkt oxideret	25	0,78
	327	0,83
	427	0,89
	527 ... 727	0,91 ... 0,92
aluminium			0,04
platin			0,05

Terminologi

Udtrykket emissivitet bruges ofte synonymt for emissivitet , hvor emissivitet har en bredere betydning. Især i ældre litteratur anvendes emissivitet også i betydningen fysisk strålingsmængde, såsom B. den spektrale udstråling .

Weblinks

Emissiviteter af konventionelle metalliske materialer
Emissiviteter af materialer
Emissiviteter af konventionelle materialer
Grundlæggende om berøringsfri temperaturmåling , PDF-fil, 1,3 MB (indeholder blandt andet emissivitetstabeller), tilgængelig 26. januar 2017

litteratur

Peter Stephan, Stephan Kabelac, Matthias Kind, Dieter Mewes, Karlheinz Schaber, Thomas Wetzel (red.): VDI-Wärmeatlas . 12. udgave. Springer-Verlag GmbH Tyskland, Berlin 2019, ISBN 978-3-662-52988-1 , sektion K termisk stråling. med stoftabeller for emissiviteter
HD Baehr, K. Stephan: Varme og masseoverførsel. 4. udgave. Springer-Verlag, Berlin 2004, ISBN 3-540-40130-X (kapitel 5: Termisk stråling).

Individuelle beviser

↑ Når der specificeres et temperaturinterval, kan der foretages lineær interpolation mellem de specificerede værdier for emissiviteterne.
Iss Emissivitet. Spektrum.de , adgang til 28. juni 2020 .

[1] Når der specificeres et temperaturinterval, kan der foretages lineær interpolation mellem de specificerede værdier for emissiviteterne.

[2] Iss Emissivitet. Spektrum.de , adgang til 28. juni 2020 .

Languages