Тепловое излучение

     Здравствуйте! В различных отраслях техники в настоящее время используется теплообмен излучением (радиация), и область его применения непрерывно расширяется. Характерная особенность лучистого теплообмена состоит в том, что в нем могут участвовать тела, непосредственно не соприкасающиеся. Более того, если из пространства, разделяющего два тела, откачать газ, то перенос теплоты будет продолжаться. Благодаря этому свойству лучистой энергии Земля получает теплоту от Солнца.

     Тепловое излучение – результат сложных внутриатомных процессов, которые интенсифицируются при увеличении температуры. При нагревании тела с повышением его температуры количество излучаемой энергии быстро растет (пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени). Излучение, определяемое только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, называют тепловым излучением.

teplovoe-izluchenie

     Теплообмен излучением обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, распространением ее в пространстве, и поглощением телом или средой, которых она достигает. Излучение – это совокупность электромагнитных волн и фотонов, обладающая волновыми и корпускулярными свойствами, причем если электромагнитные волны излучаются непрерывно, то корпускулярные свойства проявляются в испускании энергии отдельными дискретными порциями – квантами света, или фотонами. Скорость распространения лучистой энергии в вакууме равна скорости света c = 3*10⁸ м/с, поэтому излучение можно характеризовать длиной волны λ или частотой колебаний υ, взаимосвязь между которыми устанавливается формулой λ = c/υ.

     Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны, в зависимости от чего они подразделяются на космические, рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и др. От длины электромагнитных волн зависят свойства излучения. Так, у коротковолнового излучения наиболее существенно проявляется корпускулярные свойства, а у длинноволнового – волновые. Для теории теплообмена больший интерес представляют световые и инфракрасные лучи, которые поглощаются телами, при этом энергия лучей переходит в теплоту. Физические свойства световых и инфракрасных лучей одинаковы, разница лишь в длине волны. Световые лучи имеют длину волны 0,4 – 0,8 мкм, а инфракрасные 0,8 – 400 мкм.

      Все тела при любой температуре непрерывно излучают энергию, поэтому пространство, в котором мы находимся, заполнено тепловым излучением. Это свойство тел используется при аэрофотосъемке, при фотографировании в ночное время, при научно-исследовательских съемках и т.д. Во всех этих случаях применяется фотопленка, чувствительная к инфракрасным лучам. При попадании лучистой энергии на другое тело в общем случае часть ее поглощается, часть отражается, и часть проходит сквозь тело. Энергия, поглощаемая телом, снова превращается в теплоту и расходуется на повышение его внутренней энергии. Отраженная энергия поглощается окружающими телами и рассеивается.

      Все тела также непрерывно поглощают лучистую энергию. Температура системы тел конечных размеров с различной температурой в результате многократного излучения – поглощение со временем выравнивается. Но и в этом случае они обмениваются лучистой энергией; только благодаря тому, что расход и приход лучистой энергии равны между собой, тела остаются в тепловом равновесии.

      Следует различать собственное и падающее излучение. Собственным является излучение, испускаемое телом и зависящее только от температуры и оптических свойств данного тела, а падающее излучение – это излучение других тел, попадающее извне на его поверхность.

     Количество Q энергии излучения, переносимой в единицу времени через произвольную поверхность F, называется потоком излучения. Поток излучения, проходящий через единицу поверхности по все возможным направлениям в пределах полусферического телесного угла, называется плотностью потока излучения:

E = Q/F.

     Различают монохроматический и интегральный поток излучения и плотность потока излучения. Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн от λ до λ + Δλ, называется монохроматическим. Суммарное излучение с поверхности тела, соответствующее всему спектру длин волн в пределах от 0 до ∞, называется интегральным излучением.

     Если на тело извне не падает излучение других тел, то с единицы его поверхности отводится поток собственного излучения, называемый лучеиспускательной способностью Ec тела.

     Тела, излучающие энергию в интервале всех длин волн от 0 до ∞, имеют сплошной спектр излучения. К ним относятся окисленные металлы, полупроводники, жидкости и т.д. Некоторые тела излучают энергию только в определенном интервале длин волн, то есть имеют прерывистый спектр. Селективное излучение присуще чистым металлам и газам, причем каждое вещество имеет свой спектр излучения. Именно по этому признаку определяют состав атмосферы далеких небесных тел.

      Если из общего количества Qo энергии, падающей на тело, часть ее Qа поглощается, Qr отражается и Qd проходит сквозь тело, то баланс энергии запишется следующим образом:

Qа + Qr + Qd = Qo

При делении равенства на Qo получим

Qа/Qo + Qr/Qo + Qd/Qo = 1,

где Qа/Qo = А – поглощательная способность тела;

Qr/Qo = R – отражательная способность тела;

Qd/Qo = D – пропускательная способность.

     Поглощательная способность представляет собой отношение потока излучения, поглощенного телом (средой), к потоку излучения, падающему на тело (среду). Отражательная и пропускательная способности характеризуются соответственно отношением потока излучения, отраженного поверхностью тела и пропущенного телом, к потоку излучения, падающему на поверхность этого тела. Из выражения Qа/Qo + Qr/Qo + Qd/Qo = 1 следует, что A + R + D = 1.

     Для тела, которое поглощает всю падающую на него энергию, A = 1, R = 0, D = 0. Тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не отражая и не пропуская через себя, называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе не существует. Моделью, которая обладала бы свойствами абсолютно черного тела, является полость с малым отверстием, зачерненная внутри. Лучистая энергия, проникающая через отверстие внутрь полости, после многократного отражения почти полностью поглощается. Наибольшей поглощательной способностью обладает нефтяная сажа, для которой A = 0,90 – 0,96.

     Если R = 1, то A = 0 и D = 0. Это означает, что вся энергия, падающая на тело, отражается. Такое тело называется зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное) или абсолютно белым (если отражение рассеянное – диффузное). Для полированных металлов отражательная способность достигает R = 0,96 – 0,98.

     Для тела, пропускающего всю падающую на него энергию, D = 1, A = 0 и R = 0. Такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. Примером прозрачной среды может служить чистый воздух. Твердые тела и жидкости непрозрачны для теплового излучения, поэтому запыленный или влажный воздух поглощает часть энергии. Многие тела прозрачны только для определенных длин волн. Например, обычное стекло пропускает только световые лучи и частично инфракрасные, а кварцевое – световые и ультрафиолетовые. Специальные стекла с двуокисью германия пропускают инфракрасные лучи и применяются в инфракрасной спектроскопии, в оптике, предназначенной для работы ночью и в тумане.

     Величины A, R и D зависят от физических свойств тела, состояния его поверхности, температуры и длины волны, падающего излучения. Исп.литература: 1) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976. 2) Теплотехника, изд.2, под общей ред. И.Н.Сушкина, Москва «Металлургия», 1973.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *