2.2. Излучение

Распределение излучения связывают с представлениями электромагнитной теории о квантах света и их волновой теории. Такой дуализм (двойственность представлений) позволяет объяснять явления дифракции и интерференции и, вместе с тем, использовать представления геометрической оптики.

Излучение = радиация, radiation

Радиационный теплообмен = лучистый теплообмен (устар.)

Терморадиационные характеристики – параметры, которые регулируют температуру при нагреве излучением.

В теплофизике для описания распространения излучения используют законы Планка, Вина, Стефана–Больцмана.

Поток излучения принято характеризовать несколькими параметрами:

• плотность теплового потока ;

• длина волны Λ или частота ν

,

где – скорость распространения электромагнитных волн, скорость света;  м/с;

dim м; dim = Гц= с^-1;

• угловая структура Ω (как в пространстве распространяется излучение);

Различают направленные и диффузные потоки излучения.

Особенности направленных потоков излучения

Нет отклонения лучей.

Примеры: Солнце, лазеры, прожекторные установки.

Потоки, которые имеют малую расходимость, называют коллимированными.

коллиматор

Рис. 2.5

Солнечные лучи имеют расходимость у Земли .

Особенности диффузных потоков излучения.

Рис. 2.6

Диффузные потоки излучения создаются горячими газами, потоками плазмы. Все нагретые тела испускают диффузные потоки излучения.

Понятие направленности имеет большое значение при расчетах светотехники, металлургических агрегатов, ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, ядерных реактивных двигателей и т.д.

В настоящее время известны три теории, описывающие распространение излучения:

1. теория лучистых потоков (опирается на уравнение переноса излучения);

2. диффузия излучения (характерна для сильно рассеивающих сред);

3. теория многократного рассеивания волн; Данная теория наиболее строгая, оперирует уравнениями электромагнитной теории. В настоящее время используется для описания процессов в плотно упакованных средах.

2.2.1. Фундаментальные законы

Закон Планка:

; (1)

C₁= Вт/м²; С₂= м·К;

.

I – интенсивность теплового излучения;

– длина волны;

С₀ – скорость распространения электромагнитных волн;

Рис. 2.7

Закон Вина (дифференцируем формулу (1)):

 мкм;

Т_s=5800 К  мкм.

Таким образом, максимум приходится на видимый диапазон.

Закон Стефана-Больцмана (интегрируем формулу (1) по всем частотам):

Рис. 2.8

Связывает тепловое излучение, которое испускается нагретой поверхностью.

(коэффициент пропорциональности) излучательная способность или степень черноты; у абсолютно черного тела , на практике таких тел нет.

Приблизительно ламповая сажа и платиновая чернь имеют =0,99. Некоторые конструкционные материалы имеют малый коэффициент (алюминий 0,05). У стеклопластика в исходном состоянии , а после интенсивного нагрева . Это связано с тем, что на поверхности находится прококсованный слой. Отдельные каналы представляют собой абсолютно черное тело.

Рис. 2.9

Рис. 2.10

 Вт/(м²·К⁴ ) – постоянная Стефана–Больцмана;

Для понимания процессов, протекающих в телах, может оказаться полезной следующая схема:

Рис. 2.11

На границе происходит: поглощение, отражение, пропускание. Если выразить их роль в форме отдельных составляющих, то можно записать: A+D+R=1.

Все материалы и рабочие среды можно разделить на две группы:

1. Непрозрачные;

2. Частично прозрачные.

В непрозрачных телах D= 0 (нет пропускания). Если обратиться к теории переноса излучения, величину D можно связать с большой величиной коэффициента поглощения излучения.

Для частично прозрачных веществ принято вводить в рассмотрение не только поверхностные оптические свойства, но и объемные, такие как: коэффициент поглощения, рассеивания, показатель преломления, индикатриса рассеивания.

Смысл этих параметров в следующем: в частично прозрачных материалах излучение распространяется от одной границы к другой.

Рис. 2.12

Может так случиться, что на внешнюю границу падает q_w,e либо, когда она нагрета, то она излучает как во внешнее пространство, так и внутрь (верхняя поверхность тонкая, непрозрачная).

– коэффициент поглощения. Следует иметь в виду, что поглощение имеет выборочный характер, так как в материале есть полосы поглощения структурной воды, оксидов железа и др.

м^-1.

Не все частично прозрачные материалы однородны. В том случае, если материал состоит из отдельных волокон, частиц или он вспенен (например, пеностекло), важную роль играет рассеивание излучения на оптических неоднородностях.

Роль рассеивания связывают с коэффициентом рассеивания .

м^-1.

Количество тепловой энергии, которая протекает через границу, зависит от соотношения показателей преломления, от окружающей среды, самого материала и вещества, находящегося за его тыльной поверхностью. В случае газов или вакуума объект из частично прозрачного материала следует положить n₀=n_г=1.

У конструкционных материалов показатель преломления лежит в широком диапазоне.

У больших силикатных стекол . Высокопористые материалы, у которых , создают на основе кварцевых полосок ( ) ( в силу того, что материал имеет высокую пористость). В ракетной технике встречаются материалы с еще большим показателем преломления: .

Чем больше показатель преломления, тем при прочих равных условиях ниже вероятность выхода упавшего на поверхность излучения после отражения с тыльной границы. У этих материалов велико полное внутреннее отражение (например, в кремнии, и это хорошо для солнечной батареи).

Закон Бугера.

Если на границу упал один поток, то за тыльную – вышел уже уменьшенный поток.

,

где R – коэффициент отражения или отражательная способность.

;

Рис. 2.13

Поглощательная способность зависит от длины волны

;  м^-1;