2015-04-23
1919
Теплообмен излучением происходит непрерывно между телами расположенными в пространстве. Тепловое излучение свойственно всем телам: твёрдым, жидким и газообразным, если их температура больше абсолютного нуля.
Все тела при любых температурах излучают и поглощают энергию излучения, но количество теплоты, переносимое путём излучения, становится существенным только при высоких температурах или в условиях, когда перенос теплоты другими способами затруднен (при свободной конвекции, особенно в вакууме).
Теплообмен излучением – сложный процесс, при котором внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения; последняя в поглощающем теле вновь превращается во внутреннюю энергию теплового движения микрочастиц.
Таким образом, теплообмен излучением (или радиацией) называется перенос энергии в форме электромагнитных колебаний (электромагнитных волн).
Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (различной длины). Это электромагнитное излучение возникает в результате возбуждения колебаний в молекулах и атомах тела под действием их теплового движения и поэтому называется тепловым излучением. Как мы увидим ниже, интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры, поэтому теплообмен излучением особенно интенсивен при высоких температурах.
|
|
|
Физическое действие электромагнитного излучения на тело различно, в зависимости от длины волны. Так, например, рентгеновские лучи либо проходят сквозь тело, не оказывая на него воздействия, либо ионизируют молекулы тела. Если длина электромагнитного излучения лежит в пределах (примерно) от 8 ∙ 10-10 до 8 ∙ 10-4 м, то такое излучение, будучи поглощено телом, преобразуется в энергию хаотического теплового движения молекул и повышает температуру тела. Именно такое излучение называют тепловыми лучами.
Нужно, однако, помнить, что излучение волн любой длины в какой-то мере всегда превращается в тепловую энергию, а тепловые лучи отличаются лишь тем, что для них это превращение выражено наиболее сильно.
При температурах до 4000 К основная доля энергии теплового излучения приходится на инфракрасную область спектра, и лишь при очень высоких температурах (более 5000 К) – также на видимую и на ультрафиолетовую.
Для температур характерных для тепловых двигателей, основная доля энергии теплового излучения приходится на инфракрасное излучение.
В табл. 11.1 приведены принятые названия для электромагнитного излучения различной длины волн.
Таблица 11.1.
Волны электромагнитного излучения
|
|
|
| Вид излучения | Длина волны, м |
| Космическое излучение γ -лучи Рентгеновские лучи Ультрафиолетовые лучи Видимые (световые) лучи Инфракрасные (тепловые) лучи Радиоволны | 5 ∙ 10-14 0,5 ∙ 10-12…10 ∙ 10-12 1∙ 10-12…20 ∙ 10-9 20 ∙ 10-9…0,4 ∙ 10-6 0,4 ∙ 10-6…0,8 ∙ 10-6 0,8 ∙ 10-6…0,8 ∙ 10-3 0,2 ∙ 10-3 |
Излучение, приходящееся на узкий интервал волн от λ до λ + dλ (т. е. диапазон dλ), называется монохроматическим. Суммарное излучение, относящееся ко всему интервалу длин волн от λ = 0 до λ = ∞, называется интегральным (полным излучением).
Излучательной способностью тела называется количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени:
где Q – общее количество энергии, излучаемой поверхностью тела в единицу времени, в Дж/c или Вт;
F – излучающая поверхность в м2.
Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело, то часть лучистой энергии проникает в это тело, часть отражается в окружающее пространство. Некоторая доля энергии, проникающая в тело, превращается в тепловую, остальная энергия проходит сквозь тело и через окружающее пространство попадает на другие тела (рис. 11.1.)
Рис. 11.1. Распределение энергии при тепловом излучении
Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разделён на три части: отражённую (E R), поглощённую (E A) и пропущенную (E D). Для количественной оценки каждой части вводят следующие понятия.
Отношение отражённой энергии к энергии, падающей на поверхность тел, называют отражательной способностью тела:
Отношение поглощённой энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела:
Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью тела:
В соответствии с законом сохранения энергии имеем:
(11.1)
(11.1')
Уравнение (11.1') почленно поделим на E пад и получим:
(11.2)
(11.3)
В зависимости от физических свойств веществ одно или два слагаемых в уравнении (11.3) могут быть равны нулю.
Если D = 0 (непрозрачное тело), то A + R = 1. Подавляющее большинство твёрдых тел и жидкостей непрозрачно.
Когда R = D = 0, то A = 1. Тело, поглощающее всю энергию падающего на него электромагнитного излучения, называется абсолютно чёрным. В случае D = A = 0, R = 1. Если тело отражает все падающее на него излучение, оно называется абсолютно белым (зеркальным).
Когда A = R = 0, то D =1. Тело, пропускающее все падающее на него излучение, называется абсолютно прозрачным, или диатермичным.
В природе нет абсолютно чёрных, белых и прозрачных тел. Реальные тела при определённых условиях могут приближаться к тому или иному предельному случаю. Большинство твёрдых и жидких тел для теплового излучения практически непрозрачны (A = R = 1). Вместе с тем имеются тела, которые непрозрачны лишь для определённых длин волн. Например, кварц непрозрачен для инфракрасных лучей, но прозрачен для видимых (световых) и ультрафиолетовых лучей. Двухатомные газы диатермичны, т.е. абсолютно прозрачны.
Обычное стекло пропускает видимые лучи, но почти непрозрачно для инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Другой пример: белая поверхность хорошо отражает видимые лучи; инфракрасные же лучи белой поверхностью поглощаются так же интенсивно, как и чёрной.
Почти все тепловые лучи отражает тщательно отполированная медь. 90…96 % падающей энергии поглощает нефтяная сажа. Моделью абсолютного чёрного тела служит отверстие в стенке полого тел, так как можно считать, что энергия луча, падающего в это отверстие, полностью поглощается стенками тела (рис. 11.2.)
Рис. 11.2. Модель абсолютно чёрного тела
