Radyasyon değişimi

Olarak radyasyon değişimi değişimi belirtir enerji ikisi arasında sistemleri ile ya da bir sistem ve çevresi elektromanyetik dalgaların . Bu radyasyon akışlarının dengesine radyasyon dengesi denir .

Termal radyasyon değişimi

Radyasyonla ısı transferi

Termal radyasyon değişimi özellikle önemlidir . Mutlak sıfırın üzerinde bir sıcaklığa sahip her vücut, diğer cisimler tarafından ve muhtemelen kendi kendine absorbe edilen termal radyasyon yayar . Bu nedenle radyasyon yoluyla ısı değişimi, günlük yaşamın her yerinde sürekli olarak gerçekleşen bir süreçtir. Isı iletimi ve konveksiyona ek olarak, ısı iletimi için üçüncü mekanizmayı temsil eder.Bir vakumda , radyasyon değişimi mümkün olan tek ısı transfer şeklidir (örneğin, uzay aracında sıcaklık kontrolü veya uzay sondalarında radyonüklit pilleri soğutmak için ).

Radyatif taşıma, diğer iki ısı taşıma mekanizmasından farklıdır, çünkü gözlemlenen net ısı aktarımı sadece matematiksel olarak iki brüt ısı nakline bölünemez {net ısı aktarımı (1'den 2'ye) = brüt ısı aktarımı (1'den 2'ye) - brüt ısı aktarımı (2'den 1'e)}, ancak bu matematiksel ayrım fiziksel olarak da yorumlanabilir (örneğin, fotonların 1'den 2'ye uçtuğunu hayal ederek ve tersi). Veya başka bir deyişle, ısı ışınımı, sadece bir yönde (gelen ısı nakil sıcak için soğuk ), ama aynı zamanda yayılan ısı radyasyonu ile daha soğuk gövdesi de isabet sıcak gövde ve onun tarafından emilebilir. Bu, R. Clausius'a göre formülasyonda ısının daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir vücuda aktarılması dışında hiçbir şeyin gerçekleşmediği bir süreci yasaklayan Termodinamiğin İkinci Yasası ile çelişmez . Çünkü her iki kurum karşılıklı görüş , sıcak vücuttan ısı radyasyon gerekir ayrıca sıcak için soğuktan radyasyon nakil bağımsız halde asla ve yasaklama ihtiyacı (böylece aynı anda daha soğuk vurmak “hiçbir şey olmuyor hariç ... ” ) geçerli değildir. Ayrıca net dengede daha sıcak gövdeden daha soğuk gövdeye her zaman daha fazla ısı radyasyonu aktarıldığından, İkinci Kanunun gerektirdiği entropide artış genel sistemde sağlanır.

Radyasyon değişimi örnekleri

Atmosferden geçerken gelen elektromanyetik radyasyonun soğurulması. Sarı alana atmosferik pencere denir.

Ortalama olarak, dünya güneşten 1.74 · 10 ¹⁷ W'lık bir radyasyon gücü alır ve yaklaşık% 70'ini emer, yani 1.22 · 10 ¹⁷ W Esasen radyasyon dengesinde olduğundan, emilen enerjiyi tamamen geri yüklemelidir. . Bunu, her taraftan uzaya yaydığı uzun dalgalı termal radyasyon vasıtasıyla yapar. Göre Stefan-Boltzmann hakları , bunun yaklaşık. Ortalama radyasyon ısı ihtiyacı -18 ° C Bu, radyasyon yüzeyleri görevi gören daha yüksek atmosferik katmanların ortalama sıcaklığına karşılık gelir.
Dünya atmosferinin herhangi bir sera gazı içermemesi durumunda, yaklaşık 18 ° C genellikle yüzey sıcaklığı olarak verilir. Ancak bu yalnızca, ideal olarak ısı ileten bir küre gerektiren, dünya yüzeyinin tekdüze bir sıcaklığının gerçekçi olmayan durumu için geçerlidir. Yüzey sıcaklığının eşit olmayacağı biraz daha gerçek durumda , ortalama sıcaklık Hölder eşitsizliğine göre azalır . Bu sıcaklık dağılımı hakkında kesin bilgi olmadan aynısının tam olarak hesaplanması mümkün değildir.
Dünya, az önce bahsedilen ısı miktarını uzaya tamamen yayamaz, çünkü atmosfer ısı radyasyonuna yalnızca kısmen şeffaftır . Dünyanın ısı dengesi için en önemli alan, yandaki resimde sarı ile vurgulanmıştır. Mavi ile işaretlenmiş diğer alanlar ya büyük miktarda enerjinin geçmesine izin vermeyecek kadar dardır ya da yaklaşık 300 K ılık toprak bu alanlarda neredeyse hiçbir şey yaymaz. Zemine yakın atmosferik katmanlar, zeminden yayılan termal radyasyonun çoğunu absorbe eder, işlem sırasında ısınır ve daha sonra kısmen yukarı doğru daha yüksek hava katmanlarına, kısmen de yere geri olmak üzere termal radyasyon verir. Hava diye adlandırılan zemin dönen Bu radyasyon atmosferik karşı radyasyon , yaklaşık 300 W / m küresel ortalamaya sahip ² zemine (doğal ısınma ve katkıda bulunur sera etkisi ).
Yanma sistemlerinde sıcak alev, ısısının çoğunu alev radyasyonu yoluyla çevresine verir. Sıcak hava zayıf bir ısı yayıcı olduğu için, etkili siyah yayıcılar olarak radyasyon emisyonunu destekleyen uygun yanma koşulları veya katkı maddeleri seçilerek kurum partiküllerinin oluşumu teşvik edilebilir .
Bir cephe yüzeyinin ortama kaybettiği ısı miktarı ısı transfer katsayısı ile belirlenir . Isı kayıplarına hava konveksiyonu ve ısı radyasyonu neden olur. Rüzgar olduğunda, ısı transfer katsayısının konvektif kısmı ortalama yaklaşık 4,5 W / (m verildi ² .K), radyasyonla ilgili kısmı etrafında 6,5 W / (m, ² .K). Küçük hava hareketiyle, havaya yayılandan daha fazla ısı yayılır.
Yaşam alanlarında rahatlık hissi, diğer şeylerin yanı sıra, kişi ve çevre arasında dengeli bir radyasyon alışverişine bağlıdır. Daha hafif oturma aktiviteleri sırasında, bir kişi metabolik hızının bir sonucu olarak yaklaşık 130 W ısı üretir . Ancak Stefan-Boltzmann yasasına göre yaklaşık 900 W radyan ısı kaybeder (Icl = 0.155 m²K / W, ta = 22 ° C, tr = 22 ° C, vr = 0 m / s). Örneğin donarak ölmemesinin tek nedeni, iyi temperlenmiş bir ortamın 770 W ısı yaymasıdır. Bu örnekte, radyasyona bağlı net ısı kaybı sadece 130 W civarındadır ve bu tam olarak metabolik hız tarafından karşılanan kayıptır. Kazançlar ve kayıplar rahat bir ortamda neredeyse tamamen dengelendiği için kayda değer ısı radyasyonu değişimi fark edilmez.

hesaplama

Radyasyon değişimi sırasında aktarılan enerji miktarının hesaplanması, özellikle karmaşık geometrilere ve karmaşık radyasyon özelliklerine sahip birkaç cisim söz konusu olduğunda genellikle oldukça karmaşıktır . Cisimler arasına yerleştirilen ortam aynı zamanda soğurma ve kendi kendine emisyon yoluyla radyasyon değişimine de katılabilir. Prensipte her şey radyasyon taşınması teorisinin yardımıyla hesaplanabilse de, kesin hesaplama çok kapsamlı hale gelir ve çeşitli koşullar göz önüne alındığında genellikle çok az pratik değeri vardır. Kolay anlaşılır bir çözüm, yalnızca basit veya basitleştirilmiş durumlar için mümkündür. Bununla birlikte, bu tür basit çözümler birçok pratik durum için yeterince kesindir.

Basitleştirmeler, ilgili cisimlerin sayısını en önemlileriyle ( görsel faktörlerin kullanılması ) sınırlandırmak ve cisimlerin radyasyon özellikleri hakkında basitleştirici varsayımlar yapmaktan (örneğin, Lambert radyatörleri , gri cisimler veya siyah cisimler olarak ele almak ) oluşabilir .

Yansıyan radyasyon bileşenlerinin izlenmesini de hesaba katan, herhangi bir kapalı alandaki alanlar için brüt yöntem olarak adlandırılan radyasyon değişim hesaplamaları, ücretsiz olarak indirilebilen bir hesaplama algoritması ile verimli bir şekilde mümkündür. Radyasyon değişiminin gerçekliğine daha da yaklaşmak için, gerçek gri radyatörü tanımlayan modeller de oluşturuldu. Emisyon katsayısının açısal bağımlılığını hesaba katar.

Basit durum: düzlem paralel yüzeyler

Paralel yüzeyler arasında radyasyon değişimi

Birbirine paralel iki düz yüzey dikkate alınır. Mesafelerine göre çok büyük olmalı (yani yanal kayıplar ihmal edilebilir düzeyde kalmalıdır) ve farklı, ancak her durumda tek tip ve sabit mutlak sıcaklıklara ve . Bırakın soğurulma / salma değerleri ve yansımaları ve . ${\ displaystyle T_ {1}}$ ${\ displaystyle T_ {2}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {1}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {2}}$ ${\ displaystyle r_ {1} = 1- \ varepsilon _ {1}}$ ${\ displaystyle r_ {2} = 1- \ varepsilon _ {2}}$

Stefan-Boltzmann yasasına göre, yüzey 1 yoğunluk radyasyonu ve farklı sıcaklıklardan dolayı yüzey 2 yoğunluk radyasyonu yayar . ${\ displaystyle M_ {1} = \ varepsilon _ {1} \, \ sigma T_ {1} ^ {4}}$ ${\ displaystyle M_ {2} = \ varepsilon _ {2} \, \ sigma T_ {2} ^ {4}}$

İlk önce, grafikte gösterilen 1. yüzeyden gelen radyasyonu dikkate alıyoruz:

Radyasyonun tamamı , yansıma derecesi ile yüzeye 2 çarpar , bu da kısmı emer ve kısmı yüzey 1 üzerine yansıma derecesi ile yansıtır . Bu da, kısmı emen yüzey 2 üzerindeki kısmı yansıtır . Ayrıca yansımaları sonra yüzey 2 radyasyon yoğunluklarının emer , vs. ${\ displaystyle \, M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {2}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2} M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {2} M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {1} r_ {2} M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2} r_ {1} r_ {2} M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2} \, (r_ {1} r_ {2}) ^ {2} M_ {1}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2} \, (r_ {1} r_ {2}) ^ {3} M_ {1}}$

${\ displaystyle \, M_ {12}}$ , tüm bu bileşenlerin toplamı, yüzey 2 tarafından emilen yüzey 1'den gelen toplam radyasyondur.

{\ displaystyle M_ {12} = \ varepsilon _ {2} \, M_ {1} + \ varepsilon _ {2} \, r_ {1} r_ {2} M_ {1} + \ varepsilon _ {2} \, (r_ {1} r_ {2}) ^ {2} M_ {1} + \ dots = \ varepsilon _ {2} \, M_ {1} [1 + r_ {1} r_ {2} + (r_ {1 } r_ {2}) ^ {2} + \ noktalar] = M_ {1} {\ frac {\ varepsilon _ {2}} {1-r_ {1} r_ {2}}}}

Yana ve 1 'den küçük, son adım sonsuz takip geometrik dizi deneysel formül parantez içinde . ${\ displaystyle \, r_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {2}}$ ${\ displaystyle 1 + q ^ {1} + q ^ {2} + q ^ {3} + \ dots = {\ frac {1} {1-q}} \ quad (q <1)}$

Yerleştirme ve sarf malzemeleri ${\ displaystyle \, r_ {1}}$ ${\ displaystyle \, r_ {2}}$

{\ displaystyle M_ {12} = M_ {1} {\ frac {\ varepsilon _ {2}} {1-r_ {1} r_ {2}}} = \ varepsilon _ {1} \, \ sigma T_ {1 } ^ {4} {\ frac {\ varepsilon _ {2}} {1- (1- \ varepsilon _ {1}) (1- \ varepsilon _ {2})}} = \ sigma T_ {1} ^ { 4} {\ frac {1} {{\ frac {1} {\ varepsilon _ {1}}} + {\ frac {1} {\ varepsilon _ {2}}} - 1}}}

Orijinal olarak yayılan radyasyonun geri kalanı, çoklu yansıma sırasında yüzey 1 tarafından emildi.

Benzer bir değerlendirme, yüzey 2 tarafından yayılan ve yüzey 1 tarafından emilen radyasyon yoğunluğunu sağlar . Net radyasyon dengesi, iki yüzey tarafından emilen radyasyon yoğunlukları arasındaki farktır: ${\ displaystyle \, M_ {21}}$

{\ displaystyle M = M_ {12} -M_ {21} = \ sigma T_ {1} ^ {4} \, {\ frac {1} {{\ frac {1} {\ varepsilon _ {1}}} + {\ frac {1} {\ varepsilon _ {2}}} - 1}} \, - \, \ sigma T_ {2} ^ {4} \, {\ frac {1} {{\ frac {1} { \ varepsilon _ {1}}} + {\ frac {1} {\ varepsilon _ {2}}} - 1}} = \ sigma \, {\ frac {1} {{\ frac {1} {\ varepsilon _ {1}}} + {\ frac {1} {\ varepsilon _ {2}}} - 1}} \, (T_ {1} ^ {4} -T_ {2} ^ {4})}

Böylece bir panel yüzeyindeki net radyasyon gücünü elde edersiniz . ${\ displaystyle \, A}$

{\ displaystyle P = MA = \ sigma \, AE \, \ sol (T_ {1} ^ {4} -T_ {2} ^ {4} \ sağ)}

radyasyon değişim derecesi ile

{\ displaystyle E: = {\ frac {1} {{\ frac {1} {\ varepsilon _ {1}}} + {\ frac {1} {\ varepsilon _ {2}}} - 1}}}

.

Bu nedenle , yüzey 1'den yüzey 2'ye iletilen net radyasyon yoğunluğu , iki nedenden dolayı kendi termal emisyonundan daha düşüktür . Bir yandan, yayılan radyasyon gücünün bir kısmı, yüzey 2'den yayılan termal emisyonla telafi edilir . Diğer yandan, yüzey 1 aydınlığı parçası (ne olursa olsun sıcaklığın) arka yüzeyi 2 tarafından yansıtılan alır daha küçüktür ve . Eğer ve / veya azaltılırsa, yani ilgili yansıma derecesi arttırılırsa, hızla çok küçük hale gelir: iki yüzey, yansıtma özelliklerinden dolayı neredeyse hiç radyasyon değiştirmez. Termal radyasyonu çok verimli bir şekilde önleyebilen bir radyasyon koruma ekranını temsil ederler. ${\ displaystyle \, M}$ ${\ displaystyle \, M_ {1}}$ ${\ displaystyle M_ {2} = \ varepsilon _ {2} \, \ sigma \, T_ {2} ^ {4}}$ ${\ displaystyle \, E}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {1}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {1}}$ ${\ displaystyle \, \ varepsilon _ {2}}$ ${\ displaystyle \, E}$

Dördüncü güçlerin farkı pratik uygulamalar için sakıncalıdır. İki terimli formül uygulanarak çözülebilir.

{\ displaystyle T_ {1} ^ {4} -T_ {2} ^ {4} = \ sol (T_ {1} ^ {2} -T_ {2} ^ {2} \ sağ) \ sol (T_ {1 } ^ {2} + T_ {2} ^ {2} \ sağ) = (T_ {1} -T_ {2}) (T_ {1} + T_ {2}) \ sol (T_ {1} ^ {2 } + T_ {2} ^ {2} \ sağ) = (T_ {1} -T_ {2}) \ left (T_ {1} ^ {3} + T_ {1} ^ {2} T_ {2} + T_ {1} T_ {2} ^ {2} + T_ {2} ^ {3} \ sağ) \,.}

Kullanarak bir sıcaklık tanımlayın ${\ displaystyle \, T_ {m}}$

{\ displaystyle 4T_ {m} ^ {3}: = T_ {1} ^ {3} + T_ {1} ^ {2} T_ {2} + T_ {1} T_ {2} ^ {2} + T_ { 2} ^ {3} \ ,,}

böylece net güç basitçe şöyle yazılabilir:

{\ displaystyle P = 4 \, A \, E \, \ sigma \, T_ {m} ^ {3} \, (T_ {1} -T_ {2})}

.

Sıcaklık arasındadır ve . İki sıcaklıklar arasında büyük bir fark yoksa, genellikle yeterlidir bile kullanmak veya veya hatta için her iki sıcaklıkların ortalama . ${\ displaystyle \, T_ {m}}$ ${\ displaystyle \, T_ {1}}$ ${\ displaystyle \, T_ {2}}$ ${\ displaystyle \, T_ {m}}$ ${\ displaystyle \, T_ {1}}$ ${\ displaystyle \, T_ {2}}$

hikaye

J. Stefan , Stefan-Boltzmann yasasını radyasyon değişimi temelinde keşfetti . 1879'daki "Isı radyasyonu ve sıcaklık arasındaki ilişki üzerine" adlı çalışmasında (İmparatorluk Bilimler Akademisi matematik ve doğa bilimleri dersi oturum raporları - Viyana 1879), radyasyon değişimi için denklemi kullandı (yukarıya bakın) sayfa 414, Bu onun En iyi tarif edilen deneysel sonuçlarıydı. Henüz bugünün ölçüm teknolojisine sahip olmadığı için, ısı akışını soğutma hızı, yani; H. zamanla sıcaklık değişiminde . ${\ displaystyle T_ {1}}$

Edebiyat

D. Vortmeyer: VDI-Wärmeatlas - ısı transferi için hesaplama tabloları. 6. baskı. Springer-Verlag, 1991, ISBN 3-18-401083-X , Bölüm: Çeşitli yüzeyler arasındaki radyasyon değişiminin hesaplanması
DIN EN ISO 9288: Radyasyonla ısı transferi

Bireysel kanıt

^ RM Eisberg, LS Lerner: Fizik - Temeller ve Uygulamalar . McGraw-Hill Int'l, 1982, ISBN 0-07-066268-1 , s.876 .
^ ^A^b^c^d^e W. Roedel: Çevremizin fiziği: Atmosfer. 2. Baskı. Springer, Berlin 1994, ISBN 3-540-57885-4 , s.16 .
↑ H. Schaube, H. Werner: Doğal iklim koşulları altında ısı transfer katsayısı . IBP duyurusu 109 (1986), IRB-Verlag, Stuttgart
↑ ^a^b DIN EN ISO 7730: PMV ve PPD'nin belirlenmesi ve termal konfor koşullarının açıklaması , Berlin, Eylül 1995.
↑ B. Glück: Termal ve termal fizyolojik değerlendirme için dinamik oda modeli. Report_Raummodell_Teile_A_B_C s. 91 ff.
↑ B. şans: ısı transferi. S. 160 ff.
↑ DIN EN ISO 6946: Bileşenler - Isıl direnç ve ısıl geçirgenlik - Hesaplama yöntemi; Berlin Ekim 2003.

[Eisberg-1] RM Eisberg, LS Lerner: Fizik - Temeller ve Uygulamalar . McGraw-Hill Int'l, 1982, ISBN 0-07-066268-1 , s.876 .

[Roedel-2] A^b^c^d^e W. Roedel: Çevremizin fiziği: Atmosfer. 2. Baskı. Springer, Berlin 1994, ISBN 3-540-57885-4 , s.16 .

[Schaube-3] H. Schaube, H. Werner: Doğal iklim koşulları altında ısı transfer katsayısı . IBP duyurusu 109 (1986), IRB-Verlag, Stuttgart

[DIN7730-4] DIN EN ISO 7730: PMV ve PPD'nin belirlenmesi ve termal konfor koşullarının açıklaması , Berlin, Eylül 1995.

[5] B. Glück: Termal ve termal fizyolojik değerlendirme için dinamik oda modeli. Report_Raummodell_Teile_A_B_C s. 91 ff.

[6] B. şans: ısı transferi. S. 160 ff.

[DIN6946-7] DIN EN ISO 6946: Bileşenler - Isıl direnç ve ısıl geçirgenlik - Hesaplama yöntemi; Berlin Ekim 2003.

Languages