Часть 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Теплообмен излучением
Основные понятия теплообмена излучением
Все тела при любой температуре излучают и поглощают энергию излучения, но количество этой энергии становится существенным только при высокой температуре или в условиях, когда перенос теплоты другими способами затруднён (при свободной конвекции, особенно в разреженном газе).
Часть потока излучения Q, в общем случае, поглощается телом в количестве , часть отражается от него, а часть проходит сквозь тело. Поэтому справедливо соотношение:
или
, (3.1)
где - поглощательная способность тела; - отражательная способность тела; - пропускательная способность тела.
Тело, поглощающее всю падающуюю на него энергию излучения, называется абсолютно чёрным (). Для реальных тел .
Тело, отражающее всю падающую на него энергию излучения, называется абсолютно белым (). Если отражение имет правильный характер (угол падения равен углу отражения), то тело называется зеркальным. Для реальных тел .
|
|
Большинство твердых и жидких тел не пропускает энергию излучения. Их называют непрозрачными. Поглощение энергии излучения в них происходит в тонком поверхностном слое. Для металлов слой имеет толщину мкм, для неметаллов – около 1 мм. Для этих тел формула (3.1) примет вид:
. (3.2)
Тела, пропускающие всю падающую на них энергию излучения, называются диатермичными (). Наибольшей пропускатель-ной способностью обладают газы.
В полупрозрачных средах (телах) поглощение энергии излучения имеет объёмный характер. К полупрозрачным средам относятся газ, пар, дисперсные системы, состоящие из газообразной среды с распределенными в ней жидкими или твердыми частицами, а также некоторые жидкие и твердые тела (например, стекло).
Поглощательная и отражательная способность твердых тел зависит не только от природы тела, состояния его поверхности и её температуры, но и от распределения падающего излучения по длинам волн, тоесть от природы и температуры излучающего тела.
Для спектральног (монохроматического) излучения, то есть для излучения с определенной длиной волны, уравнение (3.1) имеет вид:
. (3.3)
Для одного и того же тела при различных длинах волн величины могут иметь существенно различные значения. Так обычное стекло хорошо пропускает световые лучи ( мкм), но почти не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.
Процессы излучения также могут иметь поверхностный или объёмный характер.
Для непрозрачных тел процесс превращения внутренней энергии в энергию излучения происходит во всём объёме такого тела. Но энергия излучения частиц, расположенных далеко от поверхности тела, поглощается самим телом, а в окружающую среду попадает только энергия, испускаемая тонким поверхностным слоем. Поэтому излучение непрозрачных тел имеет поверхностный характер.
|
|
В полупрозрачных телах в создании потока излучения участвует каждая частица вещества. В них излучение носит объёмный характер.
Излучение непрозрачных тел оценивается поверхностной плотностью потока излучения E, где .
Плотность потока излучения учитывает излучение во всех направлениях и при всех длинах волн (). В диапазоне длин волн от до () во всех направлениях излучается энергия . Отношение характеризует энергию электромагнитных волн с длиной волны и называется спектральной плотностью потока излучения. Она имеет размерность - .
Способность тела излучать энергию характеризует спектральная степень черноты тела:
, (3.5)
а также степень черноты тела:
. (3.6)
Таким образом, степень черноты тела – это отношение излучательной способности реального тела к излучательной способности абсолютно чёрного тела.
Если величина имеет одинаковое значение для всех длин волн и температур, то тело называется серым.
Величины Е и могут быть определены по формулам:
. (3.7)
Из формулы (3.5) с учётом соотношений (3.6) и (3.7) определим при (для серого тела):
. (3.8)
Для реальных тел величина не одинакова при различных длинах волн. Поэтому равенство (3.8) для них не выполняется.
Степень черноты зависит от природы тела, температуры, шероховатости поверхности, а для металлов – ещё от окисления поверхности. Для диэлектриков при t =200C величина >0,8 и уменьшается с ростом температуры. Для металлов при t =200C величина =0,05¸0,45 и увеличивается с ростом температуры до =0,7¸0,8. Появление оксидной плёнки на повехности металла приводит к увеличению её степени черноты.