Поглощательная способность материалов

Тепло распространяется или переносится от одной точки материала к другой или между телами тремя способами. Два из них — теплопроводность и конвекция — используются всеми традиционными системами отопления. Третий способ — радиация ? в равной степени важен в успешном применении солнечной энергии для отопления и охлаждения помещений.

Тепло есть энергия и может принимать форму длинноволновой электромагнитной радиации. Любая радиация распространяется по прямой с одной и той же скоростью (300 000 км/с), но имеет разные длины волн. Количество энергии, переданной посредством радиации, обратно пропорционально длине ее волны (т.е. чем короче длина волны, тем выше энергосодержание). Лучистая теплота представляет собой длинноволновую низкоэнергетическую форму радиации. При падении радиации на какое-либо тело она отражается, пропускается или поглощается этим телом. Каждый материал отражает, пропускает или поглощает падающую радиацию по-разному в зависимости от его абсолютной температуры, физических и химических характеристик и длины волны падающей радиации. Например, стекло пропускает большую часть падающего на него видимого света, но очень мало инфракрасного излучения.

Каждый материал имеет численные параметры, характеризующие отражательную, пропускательную и поглощательную способность этого материала в определенном диапазоне температур и для определенного участка электромагнитного спектра. Сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания материала равна 1, что указывает на 100%-ный учет падающей радиации. Для большинства светонепроницаемых твердых материалов пропускаемая энергия фактически равна нулю, так что сумма коэффициентов поглощения и отражения считается равной 1.

Лучистая энергия после поглощения превращается в тепло. Это тепло может быть передано дальше, излучено обратно или излучено в виде длинноволновой радиации из материала. Коэффициент излучения ε материала является численным показателем способности этого материала пропускать длинноволновое излучение. Коэффициент излучения представляет собой отношение излучаемой мощности материала к излучаемой мощности теоретического абсолютно черного тела (т.е. для абсолютно черного тела ε=1; для черной краски ε=0,95; для селективного черного покрытия ε=0,05). Эти данные имеют большое значение, т.к. указывают на относительные рабочие характеристики разных материалов.

Например, кирпичная кладка и бетон, которые имеют коэффициенты излучения около 0,9, являются лучшими радиаторами тепла, чем латунь или алюминий, которые в лучшем случае имеют коэффициент излучения 0,22. Асфальтовое покрытие, коэффициент поглощения которого более 0,9, преобразует намного больше падающей солнечной радиации в тепло, чем песок (коэффициент поглощения 0,6…0,75); это подтвердит любой, кому приходилось проходить босиком от автостоянки до пляжа.

Отношение между коэффициентом поглощения коротковолновой радиации и коэффициентом излучения длинноволновой радиации каким-либо материалом имеет особое значение для проектировщика солнечного коллектора. Материалы с высокими отношениями, называемые селективные пленки, можно использовать для покрытия поверхностей пластин солнечных коллекторов, так что поглощаться будет максимальное количество энергии, а теряться в результате излучения или вторичного излучения будет минимальное количество.

В нижеследующих таблицах приводятся коэффициенты поглощения и излучения различных материалов. За исключением особо помеченных, данные относятся к коротковолновому поглощению и длинноволновому излучению. Температура материала принимается в пределах от —17,8 до 100°C. Материалы даны по пяти категориям, в каждой из которых содержатся материалы со сходными характеристиками.