计算温室气体中背辐射的热效应的公式是什么?

Question

温室气体捕获热量并将其中一部分重新辐射回原始热源的能力看起来是一种有用的热性能，可能会被纳入双层玻璃，墙壁隔热等。什么公式能使我们在正常的导热损失参数、热容、U值等的基础上计算这个额外的热效应?我们还想找到原始实验的细节，这些实验被用来证实上述公式的准确性，因为我在互联网上搜索到的都是众所周知的用塑料瓶和加热灯进行的学校式实验，这些实验证明了这一原理，但在定量上不够准确。我们在物理堆栈交换中提出了类似的问题，因为我们认为这是一个与气体的基本物理(热江南电子竞技平台)性质有关的问题，但它几乎没有得到回应。

Answer 1

正如你已经提到的，有几种物理现象是造成热量和能量传递的原因。为了完整起见，我将再次列出它们，尽管您在问题中已经提到了它们。

1. 传导
2. 对流
3. 汽化潜热
4. 辐射

回答你的问题:辐射是从绝对温度不等于零开尔文的物体发射的电磁波来传输能量。

这是什么意思?辐射不像传导和对流那样依赖于接触或传输流体。相反，它等于绝对温度的四次方。这就是我们所说的“黑体辐射”。

这个方程是:

$$ E = \sigma * T^4$$

其中σ是Stefan-Boltzman常数T是绝对温度，单位是开尔文。这个定律是通过对立体角和波长的普朗克定律进行积分得到的，目的是确定能量不仅在一个特定的波长上传播，而且在整个光谱和所有方向上传播。结合基尔霍夫定律，即物体的吸收率等于它的发射率，你可以计算出任何物体或大气层的辐射能量。一个物体的发射率(ε)是介于0和1之间的值，其中1为完美黑体。对于大多数东西，您可以在网络。这也解释了为什么铝箔是一种很好的绝缘体。

$$ E = ε * \sigma * T^4$$

举个例子:你周围的一切都在辐射热量。从最明显的开始，太阳。太阳表面的温度约为6000K。这意味着它发出以下光谱的辐射:

正如你所看到的，太阳的最大能量是以我们所知的可见光的部分辐射出来的。此外，辐射能量的很大一部分被大气吸收(黄色和红色图表之间的差异)。尤其是臭氧(O3)、水(H2O)和二氧化碳(CO2)，它们也是我们最重要的温室气体。

所发生的是，特定波长的辐射能量“击中”分子，并将它们激发到更高动能的状态。一种物质的平均随机动能就是我们知道的这种物质的温度。因此，大气层也像一个黑体，将能量辐射回太空，也辐射回地球。

不幸的是，我不能对你问题的第二部分说太多。我不知道最初的实验。但我建议大家读一读古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)的著作，他在1860年提出了这个观点，然后由约瑟夫·斯蒂芬(Josef Stefan)在1879年和路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzman)(1884年)继续推进。普朗克1900年的研究也会有所帮助。

我希望我能给你指明正确的学习方向。

Answer 2

记住一些关于基本的斯蒂芬-玻尔兹曼方程的事情是很重要的。假定它适用于温度均匀的球形黑体。这是一个假设的事情!它是球形的，因为如果你有一个不规则形状的物体，它的一部分可以反射到它自己身上。它也被认为是一个物体，即有一个可以发射(也可以吸收)辐射的表面。这使得它更难用于对辐射部分透明的东西，即一些辐射可以直接穿过它(如气体)。当然，我们可以调整基本的S-B方程与发射率因子在现实世界的对象。寻找气体的发射率值也有点棘手。特别是当与其他气体混合时。即使是纯的，也可以有相当大的范围，纯二氧化碳可以低至0.002。

当你完成了所有这些，你需要了解一些基本的东西。S-B方程给出了辐射通量的图形。这不是热传递的数字。为了得到实际传热的数值，你需要冷物体(双层玻璃气体填充或地球大气)的温度和热物体(室内或地球表面)的温度。S-B会给你从热源到冷槽的辐射热传递。另一种方式没有热传递，尽管两种方式都有辐射传递。如果你愿意，可以把它看作净辐射通量转移。从冷物体流向热物体的辐射通量改变了热物体实际热量的净流出量，即它的冷却速度将减慢。这实际上与导电或对流意义上的绝缘是一样的。绝缘层越多，热物体的冷却速度就越慢。

因此，对于地球大气层，我们可以看到所谓的“反向辐射”(与可测量的长波红外相同)并不是从任何东西传递热量，而是实际上改变了地球表面的净辐射通量，从而减缓了它的热损失率。背向辐射本身并没有使地球表面变热，而是使它在失去热量时不那么冷。如果你能通过将纯二氧化碳放入双层玻璃装置中获得与大气温室气体效应相当的效果，我不想猜测。我怀疑这种影响可能很小，但一些精心设计的实验室实验只测量辐射效应，消除传导/对流将是一个好主意。我不知道过去有任何关于这方面的实验。