- O corpo negro é um emissor ideal no sentido de que nenhuma superfície pode emitir mais radiação do que um corpo negro à mesma temperatura.

12.5-EMISSÃO DE SUPERFÍCIES REAIS

- O corpo negro é um emissor ideal no sentido de que nenhuma superfície pode emitir mais radiação do que um corpo negro à mesma temperatura.

- É conveniente escolher o corpo negro como referência ao de descrever a emissão de uma superfície real.

- A razão entre a radiação emitida pela superfície e a radiação emitida por um corpo negro à mesma temperatura é chamada emissividade.

- A radiação espectral emitida por uma superfície real difere daquela de Planck.

- A distribuição direcional também pode ser diferente da difusa.

COMPARAÇÃO DE EMISSÕES DE UM CORPO NEGRO E DE UMA SUPERFÍCIE REAL. DISTRIBUIÇÃO ESPECTRAL E DIRECIONAL.

- A emissividade pode assumir diferentes valores dependendo do fato de estarmos interessados na emissão em um dado comprimento de onda ou em uma dada direção, ou então em médias integradas ao longo do comprimento de onda e direções.

- EMISSIVIDADE HEMISFÉRICA TOTAL ε(T): leva em conta a emissão em todos os comprimentos de onda e em todas as direções, sendo a razão entre o poder emissivo total de um corpo real, E(T), e o poder emissivo total de um corpo negro na mesma temperatura, E_cn(T), isto é:

4

) ( )

( ) ) (

(

T T E T

E T T E

cn σ

ε = =

- Apesar da simplicidade da expressão anterior, ε(T) depende de características direcionais e espectrais da superfície.

- EMISSIVIDADE DIRECIONAL ESPECTRAL ε_λ,θ (λ,θ,φ,T): para uma superfície na temperatura T é a razão entre a intensidade de radiação emitida no comprimento de onda λ e na direção θ ^{e ,}

φ

e a intensidade da radiação emitida por um corpo negro nos mesmos valores de T e λ. ^Assim:

) , (

) , , , ) (

, , , (

, ,

, I T

T T I

cn e

λ φ θ φ λ

θ λ

ε

λ

θ λ

λ =

- EMISSIVIDADE DIRECIONAL TOTAL

ε

_θ (

θ

,

φ

,T): para uma superfície na temperatura T é a razão entre a intensidade de radiação emitida em todos os comprimentos de onda λ e na direção θ ^{e ,}

φ

e a intensidade da radiação emitida por um corpo negro no mesmo valor de T. Assim:

) (

) , , ) (

, ,

( I T

T T I

cn e

θ φ φ

θ

ε

_θ =

- EMISSIVIDADE HEMISFÉRICA ESPECTRAL

ε

_λ (

λ

,T): para uma superfície na temperatura T é a razão entre a emissão de radiação no comprimento de onda λ ^em todas as direções e a emissão da radiação por um corpo negro nos mesmos valores de T e λ. ^Assim:

) , (

) , ) (

, (

, T

E

T T E

cnλλ λ

ε λ

λ = λ

- Em resumo:







⇒

rica total de hemisfé

emissivida T

tral rica espec de hemisfé

emissivida T

nal total de direcio

emissivida T

T

)

(

) , (

) , , ( )

, , , (

espectral direcional

de emissivida ,

ε λ ε

φ θ ε φ

θ λ

ε_{λ θ} ^θ_λ

4 4 3 4

4 2 1

- Uma relação entre

ε

_λ( T

λ

, ) ^e ε_λ,θ ⁽λ^,θ^,φ^,T) pode ser obtida substituindo

∫ ∫

^⋅

= ^{π π} _λ

λ⁽λ⁾ ₀² ₀ ^2I _, ⁽λ^,θ^,φ^)cosθ ^sinθ^dθ^dφ

E _e na equação :

) , (

) , ) (

, (

, T

E

T T E

cnλλ λ

ε λ

λ = λ

∫ ∫

∫ ∫

⋅

= ⋅

= _{π π}

λ π π λ λ

λ λ

φ θ θ θ

λ

φ θ θ θ

φ θ λ λ

λ λ

ε

₂

0

2

0 ,

2 0

2

0 ,

, ( , )cos sin

sin cos

) , , , ( )

, (

) , ) (

, (

d d T

I

d d T

I T

E

T T E

cn e cn

- Substituindo

) , (

) , , , ) (

, , , (

, ,

, I T

T T I

cn e

λ φ θ φ λ

θ λ

ε λ

θ λ

λ = na equação acima obtém-se:

∫ ∫

∫ ∫

⋅

= _{π π} ⋅

λ

π π λ λ θ

λ

λ θ θ θ φ

φ θ θ θ

φ θ λ ε

λ λ

ε

₂

0

2

0 ,

2 0

2

0 , ,

sin cos

) , (

sin cos

) , , , ( )

, ( )

, (

d d T

I

d d T

T I

T

cn cn

- Como I_λ,cn(λ,T) não é função de θ ^e

φ

^{e que} ε_λ,θ em geral independe de

φ

^{para a} maioria das superfícies obtém-se:

∫ ∫ ∫

∫ ∫

= ⋅

⋅

= ₂ ⋅ ₀ ² _,

0

2 0 2

0

2

0 ,

sin cos

) , , ( 2

sin cos

sin cos

) , , , ( )

,

( _{π π} ^π _{λ θ}

π π λ θ

λ

ε λ θ θ θ θ

φ θ θ θ

φ θ θ θ

φ θ λ λ ε

ε

^{T d}

d d

d d T

T

- Uma relação entre ε(T) ^e ε_λ ⁽λ^,T) pode ser obtida substituindo ^{E =}

∫

₀^{∞ E}_λ ⁽λ^)dλ ^e

) , (

) , ) (

, (

, T

E

T T E

cn λ λ λ

ε λ

λ = λ na equação :

) (

) ) (

( E T

T T E

cn

ε =

) (

) , ( )

, ( )

( ) , ( )

( ) ) (

( ^{0 0 ,}

T E

d T E

T T

E

d T E

T E

T T E

cn cn cn

cn

λ λ

λ ε λ

ε

∫

^{∞ λ} λ

∫

^{∞ λ λ}

=

=

=

- Se

ε

_λ( T

λ

, ) for conhecido o poder emissivo espectral em qualquer comprimento de onda e qualquer temperatura pode ser determinado:





−



 



= 

=

1 exp

) , ) (

, ( )

, ( )

, (

5 2 , 1

T C

T T C

E T T

E _cn

λ λ

λ λ ε

λ ε

λ _{λ λ} ^λ

λ

- Se ε(T) for conhecido o poder emissivo da superfície pode ser determinado:

) 4

( )

(T T T

E = ε σ

- Foram efetuadas medições para determinar a emissividade de muitos materiais e diversos revestimentos superficiais.

- A emissividade direcional de um emissor difuso é independente da direção, o que é um aproximação razoável.

CONDUTOR:

ε

_θ constante para º

≤ 40

θ

, aumentando com

θ

^e decaindo para zero.

NÃO-CONDUTOR:

ε

_θ constante para

θ

≤ 70º, diminuindo com

θ

^e

decaindo para zero.

EXISTEM DIREÇÕES PREFERENCIAIS PARA

EMISSÃO

- Em geral, a emissividade hemisférica total ε ^{e a} emissividade hemisférica espectral

ε

λ não diferem acentuadamente do valor da emissividade hemisférica total normal à superfície

ε

_n e a emissividade hemisférica espectral normal à superfície

ε

_λ,n.

- Em geral, 1,0 ≤ (

ε ε

_n) ≤1,3 ^{e 1,0} ≤ ⁽

ε

_λ

ε

_λ,n⁾ ≤^{1,3 para} materiais condutores e 0

, 1 ) (

95 ,

0 ≤

ε ε

_n ≤ ^{e 0,95} ≤ ⁽

ε

_λ

ε

_λ,n⁾ ≤^1,0 para materiais não-condutores. Assim:

ε

n

ε

≈ e

ε

_λ ≈

ε

_λ,n

- Como a distribuição espectral da emissão de superfícies reais se afasta da distribuição de Planck, o valor da emissividade espectral

ε

_λ não é independente de .

λ

- A forma como

ε

_λ varia com

λ

depende se o sólido for condutor ou não-condutor, assim como da natureza do revestimento da superfície, conforme a figura abaixo:

DEPENDÊNCIA ESPECTRAL DA EMISSIVIDADE NORMAL ESPECTRAL

ε

_λ,n DE MATERIAIS SELECIONADOS.

DEPENDÊNCIA COM A TEMPERATURA DA EMISSIVIDADE NORMAL TOTAL

ε

_n DE MATERIAIS SELECIONADOS.

VALORES REPRESENTATIVOS DA EMISSIVIDADE NORMAL

ε

_n.

1. A emissividade de superfícies metálicas é pequena, atingindo valores de 0,02 para superfícies polidas de ouro e prata.

2. A presença de camadas de óxidos pode aumentar a emissividade de superfícies metálicas. Verificar figura de aço inoxidável polido ou muito oxidado a 900 K.

3. A emissividade de materiais não-condutores é comparativamente maior, sendo em geral maior que 0,6.

4. A emissividade de condutores aumenta com o aumento da temperatura.

5. A emissividade de não-condutores pode aumentar ou diminuir com o aumento da temperatura.

6. A emissividade depende fortemente da natureza da superfície, podendo ser influenciada pelo método de fabricação, seu ciclo térmico e reações químicas com o ambiente.