ГЛАВА 4
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕЛЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
В настоящей главе рассматриваются основные методы исследования поглощательной и отражательной способностей и степени черноты непрозрачных, а также зеркально и диффузно-отражающих поверхностей. Поглощательная способность относительно солнечного излучения и степень черноты являются основными параметрами, характеризующими физическую природу селективности различных покрытий. Ниже приведен подробный обзор способов измерения поглощательной способности и степени черноты прямыми и косвенными методами. При косвенных методах измеряется отражательная способность поверхности в различных областях спектра с помощью интегрирующей сферы, использованной Гиром и Данклем и многими другими экспериментаторами. Измерения в этом случае проводятся быстро, но результаты зависят от свойств эталонного образца. Рас» смотрены также абсолютные калориметрические методы измерения степени черноты. Кратко описан солнечный калориметр для непосредственного определения отношения αs/ε. Кроме того, приведено описание серийно выпускаемых переносных приборов для измерения αs и ε.
Поглощательная способность и степень черноты
Поглощательная способность α плоской поверхности определяется как поглощенная этой поверхностью доля потока излучения, падающего на нее. Для непрозрачной относительно падающего излучения поверхности сумма поглощательной и отражательной способностей равна единице. Поглощательная и отражательная способности поверхности зависят от длины волны и угла падения излучения. Поэтому спектральная направленная поглощательная способность определяется как поглощенная плоской поверхностью доля излучения с длиной волны λ, падающего в направлении μ, φ (μ - косинус полярного угла, φ - азимутальный угол). Энергия излучения, приходящего на элементарную площадку dA в направлении (μ, φ), показана на рис. 4.1.1.
Рис. 4.1.1. Геометрическое представление энергии поглощенного излучения.
а — направленная поглощательная способность; б — полусферическая поглощательная способность.
Рис. 4.1.2. Геометрическое представление направленной и полусферической степеней черноты.
а — направленная степень черноты; б — полусферическая степень черноты.
Для неплоской поверхности вводится понятие эффективной поглощательной способности относительно солнечного излучения, представляющей собой отношение потока поглощенного поверхностью солнечного излучения к потоку солнечного излучения, приходящего на эту поверхность.
Степень черноты характеризует способность поверхности испускать тепловое излучение. Она определяется как отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при тех же условиях. На рис. 4.1.2 представлена геометрическая интерпретация направленной и полусферической степеней черноты поверхности. Спектральная степень черноты представляет собой отношение спектральных интенсивностей излучения (или интенсивностей монохроматического излучения при данной длине волны) поверхности и черного тела при одной и той же температуре и описывается выражением
Спектральная направленная степень черноты определяется как отношение спектральной интенсивности излучения, испускаемого поверхностью в некотором направлении, к спектральной интенсивности излучения черного тела в том же направлении при той же температуре и может быть выражена в виде
Интегральная направленная степень черноты εt (μ, φ) представляет собой отношение интенсивности интегрального излучения, включающего все длины волн от нуля до бесконечности, испускаемого поверхностью в некотором направлении, к интегральному излучению
черного тела при той же температуре:
Понятие спектральной полусферической степени черноты εhλ относится к спектральному излучению, испускаемому поверхностью по всем возможным направлениям, т. е. в пределах телесного угла 2π ср, и эта величина определяется выражением
Интегральная полусферическая степень черноты выражается в виде
Понятие нормальной степени черноты εn (частный случай направленной степени черноты) относится к излучению, испускаемому в направлении нормали к поверхности (т. е. в направлении осевого луча потока, заключенного внутри малого телесного угла), и эта величина представляет собой отношение интенсивностей излучения, испускаемого в направлении нормали поверхностью и черным телом при одной и той же температуре.
Интегральная полусферическая степень черноты, спектральная нормальная и интегральная нормальная степени черноты характеризуют различные свойства поверхности и для их измерения требуются специальные методы.
Соотношение между отражательной способностью, степенью черноты и поглощательной способностью. Закон Кирхгофа
Рассмотрим обмен энергией излучения между телом малых размеров и изотермической оболочкой, в которую оно помешено, по достижении равновесных условий. Изотермическая оболочка поддерживается при температуре Т (в градусах К).. Известно, что в соответствии со вторым законом термодинамики спектральная поглощательная способность должна быть равна спектральной степени черноты. Для непрозрачного тела
После интегрирования получим для полусферических характеристик то же самое соотношение:
Таким образом, если известно значение направленно-полусферической отражательной способности, то можно рассчитать как спектральную степень черноты, так и спектральную поглощательную способность.
