3.3 Лучистый теплообмен

3.3.1 Основные понятия и определения

Как известно, носителями лучистой энергии являются электро­магнитные колебания с длиной волны от малых долей микрона до многих километров. В зависимости от диапазона длин волн такие излучения известны под разными названиями: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные лучи, радиоволны. Ниже приведена взаимосвязь между длиной волны и видом излучением:

Длина волны Вид излучения

0,05·10^-6 мкм.......................................... Космическое

(0,5÷1,0)·10^-6 мкм…………………….. γ-излучение

10^-6-20·10^-3 мкм..................................... Рентгеновское

20·10^-3-0,4 мкм...................................... Ультрафиолетовое

0,4-0,8 мкм............................................. Видимое

0,8 мкм-0,8 мм...................................... Тепловое (инфракрасное)

0,2 мм-X км......... ……………….……. Радиоволны

Это деление сложилось исторически: в действительности какой-либо резкой границы по длинам волн не существует.

С квантовой точки зрения лучистый поток представляет собой поток некоторых частиц-фотонов, энергия которых равна hv, где h = 6,62·10^-34Дж·с - постоянная Планка и v - частота коле­баний эквивалентного электромагнитного поля. Напомним, что длина волны λ связана с частотой колебания v соотношением λv = с, где с - скорость распространения колебаний (в вакууме с = 3·10⁸м/с).

Наибольший интерес представляют те лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. Такими свойствами обладают све­товые и инфракрасные лучи, т. е. лучи с длиной волны приблизи­тельно от 0,5 до 800 мкм. Эти лучи и называют тепловыми, а про­цесс их распространения — тепловым излучением.

Природа тепловых и световых излучений одна и та же. Разница между ними лишь в длине волны; световые лучи имеют длину волны 0,4-0,8, а тепловые 0,8-800 мкм. Законы же распространения, отражения и преломления, установленные для световых лучей, справедливы и для тепловых. Поэтому, чтобы лучше себе предста­вить какие-либо сложные явления теплового излучения, всегда закономерно проводить аналогию со световым излучением, кото­рое нам больше известно и доступно непосредственному наблюде­нию.

Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только не­прерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным превращением энергии (тепловая—лучистая—тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвую­щих во взаимном обмене лучистой энергией, различна.

При одинаковой температуре этих тел вся система находится в так называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. В этом случае все тела системы также излучают и по­глощают, только для каждого из них приход лучистой энергии ра­вен ее расходу.

Виды лучистых потоков. Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучи­стый поток, испускаемый с единицы поверх­ности по всем направлениям полусфериче­ского пространства, называется плотностью потока излучения Е, Вт/м²:

Поток излучения и плотность потока из­лучения содержат лучи различных длин волн, поэтому эти характеристики излуче­ния также называются интегральными. Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от К до X + dX, называется монохроматическим.

Рис. 3.9 Схема распределения падающей лучистой энергии

Пусть из всего количества энергии Q₀, падающей на тело, часть Qa поглощается, часть Q_R отражается и часть Q_D проходит сквозь тело (рис. 2.9), так что

Деля обе части этого равенства на Q₀, получаем:

(a)

или

Первый член соотношения (а) характеризует собой поглощательную способность А, второй - отражательную способность R и третий — пропускательную способность тела D. Все эти величины имеют нулевую размерность и изменяются лишь в пределах от О до 1.

Если А = 1, то R = О и D = 0; это означает, что вся падаю­щая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными.

Если R = 1, то А = 0 и D = 0; это означает, что вся падаю­щая лучистая энергия полностью отражается. При этом если отражение правильное (которое следует законам геометрической оптики), тела называются зеркальными; если же от­ражение диффузное - абсолютно белыми.

Если D = 1, то А = О и R = 0; это означает, что вся падаю­щая лучистая энергия полностью проходит сквозь тело. Такие тела называются прозрачными или диатермичными.

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе нет; в применении к реальным телам эти понятия условны. Значения A, R и D зависят от природы тела, его температуры и спектра па­дающего излучения. Например, воздух для тепловых лучей про­зрачен, но при наличии в нем водяных паров или углекислоты он становится полупрозрачным.

Твердые тела и некоторые жидкости (например, вода, спирты) для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т. е. D = 0, в этом случае

Из соотношения (б) следует, что если тело хорошо отражает лучистую энергию, то оно плохо поглощает, и наоборот.

Вместе с этим имеются тела, которые прозрачны лишь для опре­деленных длин волн. Так, например, кварц для тепловых лучей (λ>4 мкм) непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых про­зрачен. Каменная соль, наоборот, прозрачна для тепловых и не­прозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых оно почти непрозрачно.

То же относится и к понятиям поглощения и отражения. Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. В жизни это свойство широко используется: белые летние костюмы, белая окраска вагонов-ледников, цистерн и других сооружений, где инсоляция нежелательна. Невидимые же тепловые лучи белые ткань и краска поглощают так же хорошо, как и темные. Для по­глощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражатель­ная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых. Для увеличения поглощательной спо­собности тел их поверхность покрывается темной шероховатой крас­кой. Для этой цели обычно применяется нефтяная сажа. Но и сажа поглощает всего лишь 90—96% падающей лучистой энергии, это еще не абсолютно черное тело. Такого тела в природе нет, но его можно создать искусственно. Свойством абсолютно черного тела обладает отверстие в стенке полого тела. Для этого отверстия А=1, ибо можно считать, что энергия луча, попадающего в это отверстие, полностью поглощается внутри полого тела. В дальнейшем все величины, относящиеся к абсолютно черному телу, будут отмечены индексом 0 [2].