Keberpancaran
Keberpancaran (Jawi: كبرڤانچرن; Inggeris: emissivity) permukaan sesuatu bahan ialah keberkesanannya dalam memancarkan tenaga sebagai sinaran terma. Sinaran terma ialah sinaran elektromagnet yang lazimnya merangkumi sinaran nampak (cahaya) dan sinaran inframerah, yang tidak boleh dilihat oleh mata manusia. Sebahagian daripada sinaran haba daripada objek yang sangat panas (lihat gambar) mudah dilihat oleh mata.
Keberpancaran permukaan bergantung kepada komposisi kimia dan struktur geometrinya. Secara kuantitatif, ia adalah nisbah sinaran terma dari permukaan kepada sinaran dari permukaan hitam yang unggul pada suhu yang sama seperti yang diberikan oleh hukum Stefan-Boltzmann. Nisbah berbeza dari 0 hingga 1. Permukaan jasad hitam sempurna (dengan keberpancaran 1) memancarkan sinaran haba pada kadar kira-kira 448 watt setiap meter persegi pada suhu bilik (25 °C, 298.15 K). Semua objek sebenar mempunyai emisiviti kurang daripada 1.0, dan memancarkan sinaran pada kadar yang lebih rendah.
Takrifan matematik
[sunting | sunting sumber]Keberpancaran hemisfera
[sunting | sunting sumber]Keberpancaran hemisfera permukaan, dilambangkan ε, ditakrifkan sebagai [1]
dengan
- Me ialah keluaran sinaran permukaan itu;
- Me° ialah keluaran sinaran suatu jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu.
Keberpancaran hemisfera spektrum
[sunting | sunting sumber]Keberpancaran hemisfera spektrum dalam frekuensi dan keberpancaran hemisfera spektrum dalam panjang gelombang permukaan, masing-masing dilambangkan εν dan ελ, ditakrifkan sebagai[1]
dengan
- Me,ν ialah keluaran sinaran spektrum dalam kekerapan permukaan itu;
- Me,ν° ialah keluaran sinaran spektrum dalam kekerapan jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu;
- Me,λ ialah keluaran sinaran spektrum dalam panjang gelombang permukaan itu;
- Me,λ° ialah keluaran sinaran spektrum dalam panjang gelombang jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu.
Keberpancaran arah
[sunting | sunting sumber]Keberpancaran arah satu-satu permukaan, dilambangkan εΩ, ditakrifkan sebagai[1]
dengan
- Le,Ω ialah sinaran permukaan itu;
- Le,Ω° ialah sinaran jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu.
Keberpancaran arah spektrum
[sunting | sunting sumber]Keberpancaran arah spektrum dalam frekuensi dan keberpancaran arah spektrum dalam panjang gelombang permukaan, masing-masing dilambangkan εν,Ω dan ελ,Ω, ditakrifkan sebagai[1]
dengan
- Le,Ω,ν ialah sinaran spektrum dalam kekerapan permukaan itu;
- Le,Ω,ν° ialah sinaran spektrum dalam kekerapan jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu;
- Le,Ω,λ ialah sinaran spektrum dalam panjang gelombang permukaan itu;
- Le,Ω,λ° ialah sinaran spektrum dalam panjang gelombang jasad hitam pada suhu yang sama dengan permukaan itu.
| bahan | Keberpancaran |
|---|---|
| Kerajang aluminium | 0.03 |
| Aluminium, teranod | 0.9 [2] |
| Aluminium, licin, digilap | 0.04 |
| Aluminium, kasar, teroksida | 0.2 |
| Asfalt | 0.88 |
| Bata | 0.90 |
| Konkrit, kasar | 0.91 |
| Tembaga, digilap | 0.04 |
| Tembaga, teroksida | 0.87 |
| Kaca, licin tidak bersalut | 0.95 |
| Ais | 0.97-0.99 |
| Besi, digilap | 0.06 |
| Batu kapur | 0.92 |
| Marmar, digilap | 0.89–0.92 |
| Lapisan gas Nitrogen atau Oksigen, tulen | ~0 [3] |
| Cat, termasuk putih | 0.9 |
| Kertas, bumbung atau putih | 0.88–0.86 |
| Plaster, kasar | 0.89 |
| Perak, digilap | 0.02 |
| Perak, teroksida | 0.04 |
| Kulit, manusia | 0.97–0.999 |
| salji | 0.8–0.9 |
| Polytetrafluoroethylene (Teflon) | 0.85 |
| Disilisida logam peralihan (cth MoSi2 atau WSi2) | 0.86–0.93 [4] |
| Tumbuh-tumbuhan | 0.92-0.96 |
| Air, tulen | 0.96 |
Catatan:
- Keberpancaran ini adalah jumlah keberpancaran hemisfera dari permukaan.
- Nilai keberpancaran digunakan untuk bahan yang tebal secara optikal. Ini bermakna bahawa penyerapan pada panjang gelombang biasa sinaran haba tidak bergantung pada ketebalan bahan. Bahan yang sangat nipis memancarkan sinaran haba kurang daripada bahan yang lebih tebal.
- Kebanyakan keberpancaran dalam carta di atas direkodkan pada suhu bilik (300 K).
Keberpancaran planet Bumi
[sunting | sunting sumber]
Keberpancaran planet atau jasad astronomi lain ditentukan oleh komposisi dan struktur kulit luarnya. Dalam konteks ini, "kulit" planet secara amnya merangkumi kedua-dua atmosfera separa lutsinar dan permukaan bukan gasnya. Pancaran sinaran yang terhasil ke angkasa biasanya berfungsi sebagai mekanisme penyejukan utama untuk badan terpencil ini. Keseimbangan antara semua sumber tenaga masuk dan dalaman lain berbanding aliran keluar mengawal suhu planet. [5]
Untuk Bumi, suhu kulit keseimbangan berjulat berhampiran takat beku air (260K±50K). Oleh itu, pelepasan yang paling bertenaga adalah dalam jalur yang merangkumi kira-kira 4-50 μm seperti yang dikawal oleh hukum Planck.[6] Keberpancaran untuk atmosfera dan komponen permukaan sering dikira secara berasingan, dan disahkan terhadap pemerhatian berasaskan satelit dan bumian serta pengukuran makmal. Keberpancaran ini berfungsi sebagai parameter input dalam beberapa model meteorologi dan klimatologi.
Keberpancaran permukaan bumi (εs) telah disimpulkan dengan instrumen berasaskan satelit dengan memerhatikan secara langsung pelepasan haba permukaan pada titik nazir melalui tingkap atmosfera yang kurang terhalang merentangi 8-13 μm.[7] Nilai berjulat kira-kira εs =0.65-0.99, dengan nilai terendah biasanya terhad kepada kawasan padang pasir yang paling tandus. Keberpancaran kebanyakan kawasan permukaan melebihi 0.9 disebabkan oleh pengaruh dominan air; termasuk lautan, tumbuh-tumbuhan darat dan salji/ais. Anggaran purata global untuk keberpancaran hemisfera permukaan bumi adalah sekitar εs =0.95.[8]
Air juga mendominasi keberpancaran dan penyerapan atmosfera planet dalam bentuk wap air. Awan, karbon dioksida dan komponen lain memberikan sumbangan tambahan yang besar, terutamanya apabila terdapat jurang dalam spektrum penyerapan wap air.[9] Nitrogen (N2) dan oksigen (O2) - komponen atmosfera utama - berinteraksi kurang ketara dengan sinaran haba dalam jalur inframerah.[10] Pengukuran langsung pembebasan atmosfera Bumi (εa) adalah lebih mencabar berbanding permukaan tanah disebabkan sebahagiannya oleh struktur atmosfera yang berbilang lapisan dan lebih dinamik.
Sejarah
[sunting | sunting sumber]Konsep keberpancaran dan penyerapan, sebagai sifat jirim dan sinaran, muncul pada akhir abad kelapan belas hingga pertengahan abad kesembilan belas tulisan Pierre Prévost, John Leslie, Balfour Stewart dan lain-lain.[11][12][13] Pada tahun 1860, Gustav Kirchhoff menerbitkan huraian matematik tentang hubungan mereka di bawah keadaan keseimbangan terma (iaitu Hukum Kirchoff bagi sinaran haba).[14] Menjelang 1884 kuasa pancaran benda hitam sempurna telah disimpulkan oleh Josef Stefan menggunakan ukuran eksperimen John Tyndall, dan diperolehi oleh Ludwig Boltzmann daripada prinsip statistik asas.[15] Keberpancaran, yang ditakrifkan sebagai faktor perkadaran selanjutnya kepada hukum Stefan-Boltzmann, dengan itu tersirat dan digunakan dalam penilaian seterusnya kelakuan sinaran jasad kelabu. Sebagai contoh, Svante Arrhenius menggunakan perkembangan teori yang lebih terkini untuk penyiasatannya pada tahun 1896 tentang suhu permukaan Bumi seperti yang dikira daripada keseimbangan sinaran planet dengan semua ruang.[16] Menjelang 1900 Max Planck secara empirik memperoleh hukum am sinaran jasad hitam, dengan itu menjelaskan konsep emisitiviti dan penyerapan pada panjang gelombang individu.[17]
Lihat juga
[sunting | sunting sumber]- Albedo
- Sinaran jasad hitam
- Penyejukan sinaran siang hari pasif
- Penghalang sinaran
- Kepantulan
- Persamaan Sakuma–Hattori
- Hukum Stefan–Boltzmann
- Faktor pandangan
- Hukum sesaran Wien
Rujukan
[sunting | sunting sumber]- ^ a b c d "Thermal insulation — Heat transfer by radiation — Physical quantities and definitions". ISO 9288:2022. ISO catalogue. 1989. Dicapai pada 2015-03-15.
- ^ The visible color of an anodized aluminum surface does not strongly affect its emissivity. See "Emissivity of Materials". Electro Optical Industries, Inc. Diarkibkan daripada yang asal pada 2012-09-19.
- ^ Trogler, William C. (1995). "The Environmental Chemistry of Trace Atmospheric Gases". Journal of Chemical Education. 72 (11): 973. Bibcode:1995JChEd..72..973T. doi:10.1021/ed072p973.
- ^ Shao, Gaofeng (2019). "Improved oxidation resistance of high emissivity coatings on fibrous ceramic for reusable space systems". Corrosion Science. 146: 233–246. arXiv:1902.03943. doi:10.1016/j.corsci.2018.11.006. Unknown parameter
|displayauthors=ignored (bantuan) - ^ "Climate and Earth's Energy Budget". NASA Earth Observatory. 14 January 2009. Dicapai pada 10 October 2022.
- ^ Petty, Grant W. (2006). A first course in atmospheric radiation (ed. 2). Madison, Wisc.: Sundog Publ. m/s. 68. ISBN 978-0972903318.
- ^ "ASTER global emissivity database: 100 times more detailed than its predecessor". NASA Earth Observatory. Dicapai pada 10 October 2022.
- ^ "Joint Emissivity Database Initiative". NASA Jet Propulsion Laboratory. Dicapai pada 10 October 2022.
- ^ "Remote Sensing: Absorption Bands and Atmospheric Windows". NASA Earth Observatory. 17 September 1999. Dicapai pada 28 October 2022.
- ^ Höpfner, M.; Milz, M.; Buehler, S.; Orphall, J.; Stiller, G. (24 May 2012). "The natural greenhouse effect of atmospheric oxygen (O2) and nitrogen (N2)". Geophysical Research Letters (dalam bahasa Inggeris). 39 (L10706). Bibcode:2012GeoRL..3910706H. doi:10.1029/2012GL051409. ISSN 1944-8007.
- ^ Prévost, Pierre (April 1791). "Mémoire sur l'équilibre du feu". Observations Sur la Physique (dalam bahasa Perancis). XXXVIII (1): 314–323.
- ^ Leslie, John (1804). An Experimental Inquiry into the Nature and Propagation of Heat. Edinburgh: J. Mawman.
- ^ Stewart, Balfour (1866). An Elementary Treatise on Heat. Oxford, Clarendon Press.
- ^ Kirchhoff, Gustav (1860). "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme and Licht". Annalen der Physik und Chemie. 109 (2): 275–301. Bibcode:1860AnP...185..275K. doi:10.1002/andp.18601850205.
- ^ Boltzmann, Ludwig (1884). "Ableitung des Stefan'schen Gesetzes, betreffend die Abhängigkeit der Wärmestrahlung von der Temperatur aus der electromagnetischen Lichttheorie" [Derivation of Stefan's law, concerning the dependency of heat radiation on temperature, from the electromagnetic theory of light]. Annalen der Physik und Chemie (dalam bahasa Jerman). 258 (6): 291–294. Bibcode:1884AnP...258..291B. doi:10.1002/andp.18842580616.
- ^ Svante Arrhenius (1896). "On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground". Philosophical Magazine and Journal of Science (dalam bahasa Inggeris). 41 (251): 237–276. doi:10.1080/14786449608620846.
- ^ Planck, Max (1901). "Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspektrum". Annalen der Physik. 4 (3): 553–563. Bibcode:1901AnP...309..553P. doi:10.1002/andp.19013090310.
Bacaan lanjut
[sunting | sunting sumber]- "Spectral emissivity and emittance". Southampton, PA: Temperatures.com, Inc. Diarkibkan daripada yang asal pada 4 April 2017. An open community-focused website & directory with resources related to spectral emissivity and emittance. On this site, the focus is on available data, references and links to resources related to spectral emissivity as it is measured & used in thermal radiation thermometry and thermography (thermal imaging).
- "Emissivity Coefficients of some common Materials". engineeringtoolbox.com. Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications. This site offers an extensive list of other material not covered above.