Теплообмен излучением

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Основные понятия

Теплообмен излучением - сложный про­цесс, при котором внутренняя энергия излучающего тела пере­ходит в энергию электромагнитных волн, а затем в по­глощающем эти волны другом теле их энергия вновь превращается во внутреннюю энергию теплового движения микрочастиц.

Тепловое излучение делится на:

- инфракрасное (с длинами волн примерно от l = 1000 мкм до

l = 0,74 мкм, причем практическое значение имеют лучи с длиной волны не более 40 мкм);

- видимое (с длинами волн l от 0,74 мкм до 0,4 мкм);

- ультрафиолетовое (с l от 0,4 мкм до примерно 0,01 мкм).

При температурах до 4000 - 4500 К основная доля энергии теплового излучения приходится на ин­фракрасную область и лишь при более высоких темпе­ратурах - также на видимую и на ультрафио­летовую.

Основными характеристиками теплового излучения являются его интенсивность и спектральный состав.

Потоком излучения Ф называется энергия, излучаемая какой-либо поверхностью в единицу времени.

Поток излучения Ф измеряется в Дж/с, т. е. в ваттах.

Плотностью потока излучения Е_Т называется количество энергии, излучаемой единицей поверхности в единицу времени во всем диапазоне длин волн (от l = 0 до l = ¥).

Плотность потока излучения измеряется в Вт/м² и характеризует интенсивность потока излучения. Она весьма сильно зависит от температуры тела, что подчеркивает индекс " Т ".

Спектральной плотностью потока излучения Е _{l Т} называется отношение плотности потока излучения в интервале длин волн от l до l+ d l к этому интервалу длин волн, т.е. .

Очевидно, что .

Монохроматическим называется излучение, испускаемое телом только в весьма узком диапазоне длин волн.

Собственным излучением называется излучение, испускаемое телом и зависящее только от его свойств и температуры.

Падающим называется излучение, получаемое телом от внешнего источника.

Рис. 3.1

Рассмотрим далее поток излучения Ф ₀, падающий на некоторое тело

(рис. 3.1). Часть этого потока Ф_А по­глощается телом, часть Ф_R отражается, а часть Ф_D пропус­кается. При этом отражение потока излучения может быть как зеркальным (происходящим по законам геометрической оптики), так и диффузным, ненаправленным. Доли, равные

, и ,

называются соответственно коэффициентами поглощения, отражения и пропускания.

Очевидно, что A + R + D = 1.

Определенные таким образом коэффициенты A, R и D относятся ко всему падающему излуче­нию. Для монохроматического излучения рассматриваются аналогичные коэффициенты, обозна­чаемые: A _l, R _l и D _l.

Все эти коэффициенты могу быть существенно различными у разных тел в зависимости от их природы, размеров (толщины), спектрального состава и направления падающего излучения и др. Рассмотрим предельные случаи.

Абсолютно черным называется тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию (A = 1).

Зеркальным называется тело, которое отражает все падающее на него излучение по законам геометрической оптики (R = 1).

Абсолютно белым называется тело, если отражение диффузное (R = 1).

Абсолютно прозрачным называется тело, которое пропускает всю падающую на него лучистую энергию (D = 1).

В окружающей нас на Земле природе нет абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел. Реальные тела при определенных условиях могут только приближаться к тому или иному предельному случаю. Наиболее близки к абсолютно черному телу сажа, бархат (А = 0,97…0,98). У большинства неметаллических твердых материалов при температурах, близких к комнатной, коэффициент поглощения более 0,8, но он значительно уменьшается с ростом температуры. К абсолютно белому (точнее, зеркальному) телу близки (при невысоких температурах) полированные металлы (R > 0,9).

Многие твердые и жидкие тела даже в сравнительно тонких слоях практически непрозрач­ны для теплового излучения . Вместе с тем имеются тела, которые непрозрач­ны лишь для определенных длин волн. Например, кварц непро­зрачен для инфракрасных лучей, но прозрачен для видимых (световых) и ультрафиолетовых. Обычное стекло пропускает ви­димые лучи, но почти непрозрачно для инфракрасных и ультра­фиолетовых.

Важно отметить, что цвет поверхности часто никак не связан с этими её характеристиками. Так, поверхность, выкрашенная белой краской, хорошо отража­ет видимые лучи. Инфракрасные же лучи такой поверхностью поглощаются так же интенсивно, как и черной. Другой пример: ослепительно белый снег поглощает инфракрасное излучение почти полностью.

 

Основные законы

Тепловое излучение различных тел подчиняется следующим законам.

1. Наибольшей плотностью потока излучения при данной температуре обладает абсолютно черное тело. Она обозначается и определяется законом Стефана-Больцмана:

,

где s ₀ = 5, 67 ×10^-8 Вт/(м^2××К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана – коэффициент излучения абсолютно черного тела, а Т температура этого тела.

Все реальные тела излучают при такой же температуре меньше энергии, чем абсолютно черное тело.

Степенью черноты тела e называется отношение плотности потока

излучения реального тела Е_Т к Е_{Т 0} (при одной и той же температуре):

.

Степень черноты e характеризует излучательную способность реального тела по сравнению с излучением абсолютно черного тела. Она всегда меньше единицы, т.е. излучательная способность реального тела всегда меньше, чем абсолютно черного тела.

Таким образом, плотность потока излучения реального тела равна .

Понятие степени черноты вводится и для монохроматического излучения

,

где - спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела, которая (при данной температуре) при всех длинах волн также оказывается наибольшей у абсолютно черного тела.

В теории теплообмена излучением используется понятие серого тела. Серое (воображаемое) тело – это тело, у которого значение e_l для