Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Абсолютно черное и серое тело

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Возникновение потока лучей в результате превращения тепловой энергии в лучистую, называется излучением или лучеиспусканием, а обратный переход лучистой энергии в тепловую называют поглощением лучей.

В зависимости от температуры излучающего тела его лучеиспускание различно. При температуре ниже 500°С только незначительная часть всех лучей воспринимается глазом как “свет”, а наибольшая часть приходится на долю невидимого теплового излучения. Интенсивность теплового излучения характеризуется излучательной (лучеиспускательной) способностью тела, имеющего температуру Т:

где Q_л – полное количество теплоты, Дж; F – поверхность излучающего тела, м²; τ – время, с.

Лучеиспускательная способность тела есть количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности нагретого тела, имеющего температуру Т, в окружающую среду с температурой абсолютного нуля. Для абсолютно черного тела связь между излучательной способностью и абсолютной температурой выражается законом Стефана-Больцмана:

где К_о – константа излучения абсолютно черного тела, К_о=5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴); Т – абсолютная температура поверхности тела, К; E_о – излучательная способность черного тела, Вт/м².

Тело, которое поглощает только часть энергии с любой длиной волны, принято называть серым телом. Отношение коэффициента излучения серого тела (С) к коэффициенту излучения абсолютно черного тела (С_о) при той же температуре называют относительной излучательной способностью или степенью черноты тела ε:

где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С_о = 5,67 Вт/(м²·К⁴).

Величина ε является важнейшей характеристикой любого серого тела.

Когда между двумя твердыми телами происходит взаимный обмен теплотой посредством излучения, то необходимо учитывать, что из всех лучей, испускаемых каждым телом, к другому доходит только некоторая часть их. Тепловой поток, переходящий от более нагретого тела к менее нагретому посредством излучения, определяется по уравнению:

где - коэффициент взаимного излучения, Вт/(м²·К⁴); F – площадь поверхности излучения, м²; Т₁, Т₂ – абсолютные температуры поверхностей более нагретого и менее нагретого тел, К; φ – средний угловой коэффициент, который определяется формой и размерами участвующих в теплообмене поверхностей, их взаимным расположением в пространстве и расстоянием между ними.

Если тело, излучающее теплоту, заключено внутри другого тела, то φ=1, а коэффициент взаимного излучения определяют по формуле:

где - коэффициент излучения более нагретого тела, Вт/(м²·К⁴); - коэффициент излучения менее нагретого тела, Вт/(м²·К⁴); - поверхность более нагретого и менее нагретого тел, м².