31. Теплообмен излучением. Основные понятия и определения (е, q).

ГЛАВА 16. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

§ 58. Основные понятия и определения

Теплообмен, обусловленный превращением внутренней энергии тела в энергию электромагнитных волн, переносом этой энергии и поглощением ее другими телами называется теплообменом и излучением.

Для объяснения теплового излучения используется как волновая, так и корпускулярная теория. Согласно волновой теории, излучение можно представить волновыми колебаниями, с частотой v и длиной волны X. Произведение частоты и длины волны есть скорость распространения, равная скорости света c=v=3*10⁸ м/с. Согласно корпускулярной теории, энергия излучения передается в виде порций энергий — фотонов. Каждый фотон движется со скоростью света и имеет определенную энергию, заданную соотношением: e=hv, где h — постоянная Планка, h=6,63*10^-34 Дж*с.

Тепловое излучение сосредоточено между длинами волн от 10^-3 до 0,7*10^-6 м. Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин волн от 0 до бесконечности. Газы и пары характеризуются селективным (прерывис­тым) спектром излучения.

Количество лучистой энергии, испускаемой с едини­цы площади поверхности тела в единицу времени, называется поверхностной плотностью излучения:E=dQ/dF и измеряется в Вт/м². Лучистый поток с площади поверхности F определяется выражением: Q = .

В общем случае плотность потока излучения может неравномерно распределяться по поверхности тела. Она может изменяться по определенным направлениям излучения. Поэтому вводится понятие интенсивности излучения.

Интенсивностью излучения называется количество лучистой энергии, излучаемое в определенном направлении элементарной площадкой, расположенной перпендикулярно направлению излучения, в единице телесного угла за единицу времени. Для пояснения этого понятия выделим на поверхности излучающего тела элементарную площадку dF и рассмотрим излучение по направлению s, составляющему уголс нормалью п к площадке в элементарном телесном угле d (рис. 16.1). Энергия этого излучения равна d'Q. Проекция площадки dF на плоскости, перпендикулярной направлению излучения, равна dF cos

По определению интенсивность излучения может быть представлена отношением: Is=d'Q/dF cos d.

Эту величину иногда называют яркостью излучения и измеряют в Вт/(м²*ср). Eпр/Eпад = D — пропускательная способность тела (или коэффициент пропускания).

Коэффициенты A, R, D связываются между собой ра­венством: A+R+D=1.

Для конкретных тел они определяются опытным пу­тем. Если R=D = 0, то А = 1, поверхность тела погло­щает все падающее на нее излучение, следовательно, это абсолютно черное тело. Если D=A=0, то R=1, поверх­ность тела отражает все падающее на нее излучение, следовательно, это абсолютное белое тело. Если R = A = 0, то D = 1, тело пропускает все падающее на нее из­лучение, следовательно, это абсолютно прозрачное тело.

Участвующее в лучистом обмене тело, помимо собст­венного излучения Е, определяемого свойствами самого тела и температурой, отдает часть падающей на него энергии: Интенсивность излучения для определенной точки на поверхности тела может быть неодинаковой по различным направлениям. Если I_s по всем направлениям будет одинаковой и излучение исходит с поверхности твердого тела, то оно называется диффузным. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, дли­ны волны, состояния поверхности, а для газов — еще от толщины слоя и давления.

Введенные понятия — плотность лучистого потока Е и интенсивность излучения I_s — относятся к интегрально­му (полному) излучению. Эти же понятия относятся и к монохромическому излучению, т. е. к излучению, про­исходящему в узком интервале длин волн от X доd. Для этого излучения вводятся индексы: Е_, I_S,.

Если на пути теплового излучения .E_пад встречается тело (рис. 16.2), то тепловая энергия частично поглоща­ется .Е_погл, частично отражается E_отр и частично прохо­дит сквозь тело Е_пр. На основании принципа сохранения энергии можно записать:

E_пад =E_погл + E_отр + E_пр.

Введем обозначения: Е_погл/Е_пад = А — поглощательная способность поверхности тела (или коэффициент по­глощения); Е_отр/Е_пад = R — отражательная способность поверхности тела (или коэффициент отражения); Сумма энергий собственного и отраженного излуче­ния составляет эффективное излучение тела:

E_эф = E+ RE_пад = E + (1–A)T_пад. (16.1)

Следует отметить, что эффективное излучение зави­сит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры окружающих его тел, а также от формы, размеров и от­носительного расположения тел в пространстве.

Разность между собственным и поглощенным излу­чением называется результирующим излучением:

Е_рез = Е—АЕ_пад. (16.2)