计算温室气体反向辐射的热效应的公式是什么?

Question

温室气体捕获热量并将部分热量重新辐射回原始热源的能力看起来是一种有用的热特性，可以应用于双层玻璃、墙体隔热等。有什么公式能让我们在正常传导热损失参数、热容、U值等基础上计算出额外的热效应?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学校类型的塑料瓶和热灯实验，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》中提出了一个类似的问题，因为我们认为这是一个关于气体基本江南电子竞技平台物理(热)性质的问题，但它几乎没有得到回应。

Answer 1

正如你已经提到的，有几种物理现象负责热量和能量的传递。为了完整起见，我将再次列出它们，尽管你在你的问题中已经提到了它们。

1. 传导
2. 对流
3. 蒸发潜热
4. 辐射

回答你的问题:辐射是能量的传输，通过电磁波从一个绝对温度不等于0开尔文的物体发射出来。

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，它等于它的绝对温度的四次方。这就是我们所说的“黑体辐射”。

这个方程是:

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

σ是Stefan-Boltzman常数T是绝对温度，单位是开尔文。这个定律是通过对普朗克定律在立体角和波长上的积分得到的，以确定能量不仅通过一个特定的波长传输，而是通过整个光谱和所有方向传输。结合基尔霍夫定律，也就是说，一个物体的吸收率等于它的发射率，你可以计算任何物体或大气层的辐射能量。物体的发射率(ε)是一个介于0和1之间的值，1是完美的黑体。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:你周围的一切都会辐射热量。从最明显的开始，太阳。太阳表面的温度大约是6000K。这意味着它会发出以下光谱的辐射:

正如你所看到的，太阳的最大能量是在我们所知道的可见光的部分中辐射出来的。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。

发生的事情是，特定波长的辐射能量“击中”分子，并将它们激发到更高的动能状态。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，大气也像一个黑体，将能量辐射回太空，也辐射回地球。

不幸的是，关于你问题的第二部分，我不能说太多。我不知道最初的实验。但我建议你读一下关于古斯塔夫·基尔霍夫的书，他在1860年提出了这个想法，然后约瑟夫·斯蒂芬在1879年和路德维希·玻尔兹曼(1884年)继续提出这个想法。普朗克1900年的著作也会有所帮助。

我希望我能给你的学习指明正确的方向。

Answer 2

记住一些关于基本的斯蒂芬-玻尔兹曼方程的东西是很重要的。它应该适用于均匀温度下的球形黑体。这是一种假设!它是球形的，因为如果你有一个不规则形状的物体，它的部分可以辐射回自身。它也应该是一个身体，即有一个表面，辐射可以从它发射(也可以吸收)。这使得它与对辐射部分透明的东西一起使用更加棘手，即一些辐射可以直接穿过它(如气体)。当然，我们可以用发射率因子来调整基本的S-B方程。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，也可能有一个相当大的数值范围，纯的二氧化碳可能低至0.002。

当你做了所有这些，你需要了解一些基本的东西。S-B方程给出了辐射通量的数值。这不是一个热量传递的数字。要获得实际传热的数据，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会给出从热源到冷汇的辐射传热。另一种方式没有热量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传输。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，即其冷却速度将减慢。在导电或对流的意义上，这实际上是绝缘的同一类型。隔热层越多，热物体的冷却速度就越慢。

因此，对于地球的大气，我们可以看到所谓的“反向辐射”(与可测量的长波IR相同)并没有从任何地方传递热量，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。反向辐射本身并没有使地球表面变热，而是在失去热量时使其变冷。如果你把纯二氧化碳放在双层玻璃单元中，就能得到与大气温室气体效应相同的效果，我不想猜测。我怀疑影响可能很小，但一些精心设计的实验室实验只是测量辐射效应，并消除传导/对流将是一个好主意。我不知道过去有没有在这方面做过实验。