Излучение газов

Газы излучают и поглощают энергию излучения. Они не способны ее отражать и рассеивать. В результате столкновений молекул газа может изменяться энергия вращательного движения молекул, колебательного движения атомов (вибрация атомов в молекуле), происходить изменение орбит электронов и т. д. Изменение энергии сопровождается лучеиспусканием квантов энергии. В интервале температур до 2800К излучение связано с изменением энергии вращательного движения молекул и лежит в диапазоне длин волн 1÷30 мкм, то есть в невидимой (инфракрасной) части спектра. При увеличении изменения энергии молекулы излучение становится более интенсивным и смещается в область более коротких длин волн. При температуре 6000К начинается изменение орбит электронов, и излучение смещается в видимую область.

Одно – и двухатомные газы (гелий, инертные газы, водород, азот, кислород и др.) практически прозрачны для излучения и не излучают тепловую энергию (до 3000К). Трехатомные газы, например СО₂ и Н₂О, обладают заметным излучением.

Излучение газов носит объёмный характер, так как в нем участвуют все частицы газа. Газы имеют линейчатый спектр излучения. Поглощение и излучение электромагнитных волн происходит только в определенных интервалах длин волн. В остальной части спектра они прозрачны. Полное излучение газа слагается из излучения всех его полос.

С увеличением температуры начинаются процессы ионизации и рекомбинации атомов и молекул. В результате интенсивность излучения увеличивается и отдельные полосы излучения начинают сливаться в сплошные участки.

При практических расчетах пользуются интегральной степенью черноты излучающего объёма газа . Плотность потока излучения может быть подсчитана по уравнению Стефана-Больцмана - .

Энергия излучения и поглощения зависит от толщины газового слоя и концентрации излучающих молекул. Концентрация молекул оценивается парциальным давлением газа р. Так как толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на количество участвующих в теплообмене молекул, то степень черноты газа можно выбирать в зависимости от параметра , где - средняя длина луча в пределах газового слоя. Величина определена для различных форм газового объёма и приводится в справочниках. Её величину можно оценить по соотношению - , где А – поверхность, ограничивающая объём V.

Следовательно можно полагать, что степень черноты газа является функцией двух параметров - . Вид этой функции определяется экспериментальным путем. Величина существенно зависит от температуры. Поэтому зависимость может отличаться от закона 4 - ой степени.

В продукты сгорания двигателя одновременно входят СО₂ и Н₂О. Для смеси СО₂ и Н₂О величину определяют по формуле:

.

Последний член в этой формуле характеризует эффект взаимного поглощения в результате частичного совпадения полос излучения и поглощения в спектрах СО₂ и Н₂О. Значения степени черноты и находят по графикам, построенным по опытным данным. Для этого нужно знать температуру газа, его парциальное давление и определить среднюю длину пути луча.