5. Лучистый теплообмен
5.1. Основные сведения о лучистом теплообмене
Под лучистым теплообменом понимают совокупность явлений теплового излучения телом, переноса лучистой энергии посредством электромагнитных волн и поглощения этой энергии телом с преобразованием ее в энергию хаотического движения молекул тела.
Необходимо отметить, что основным носителем лучистой тепловой энергии служат волны видимой и инфракрасной областей спектра, имеющие длину λ = 0,4…40 [мкм].
5.2. Энергетический баланс лучистой энергии
Рассмотрим тело, на которое падает лучистая энергия Епад (рис. 47). Часть ее (Епогл) поглощается телом, часть (Еотр) – отражается, а еще часть (Епроп) – проходит через тело. Очевидно, что
Епод = Епогл + Еотр + Епроп.
Рис. 47. Баланс лучистой энергии
Приведенное уравнение энергетического баланса принято записывать в относительных величинах, разделив все его слагаемые на Епад –
Епад/Епад = (Епогл/Епад) + (Еотр/Епад) + (Епроп/Епад).
Соответствующие отношения обозначают
А = Епогл/Епад; R = Еотр/Епад; D = Епроп/Епад
и называют коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Естественно, что их сумма равна единице –
А + R + D = 1.
Такой вид имеет уравнение безразмерного энергетического баланса лучистой энергии. Как показано выше, его легко получить, рассмотрев явление взаимодействия тела с воспринимаемой этим телом лучистой энергией.
5.3. Виды тел
В зависимости от лучистых свойств различают следующие виды тел.
Абсолютно черное тело поглощает всю лучистую энергию. Для такого тела А = 1, R = D = 0.
Серое тело поглощает лишь часть лучистой энергии. Для него справедливо –
0 < A < 1; R ≠ 0; D = 0.
Серое тело лучистую энергию не пропускает.
Зеркальное (абсолютно белое) тело отражает всю лучистую энергию. В этом случае R = 1, A = D = 0.
Абсолютно прозрачное тело пропускает все лучи полностью. Для него D = 1, A = R = 0.
В теории лучистого теплообмена важнейшую роль играет абсолютно черное тело (АЧТ). Все основные законы лучистого теплообмена сначала выводятся для АЧТ, а затем преобразуются для серых тел.
5.4. Закон Планка
Закон Планка описывает интенсивность излучения АЧТ в зависимости от длины волны, а также температуры тела. Таким образом, закон Планка определяет спектральную интенсивность излучения тела.
Очевидно, что при каждой конкретной температуре тело излучает все длины волн (0 < λ < ∞), но излучение не является равномерным. Оно характеризуется как длиной волны, так и температурой тела.
Обозначим интенсивность излучения АЧТ E0 (подстрочный индекс “нуль” принято приписывать параметрам АЧТ). Найдем спектральную интенсивность излучения –
E0λ= dE0/dλ,
где E0 измеряется в [Вт/м2], E0λ – в [Вт/м3]; λ – длина волны, [м].
Решение последнего дифференциального уравнения, полученное Планком, имеет вид
E0λ = C1·λ–5/[eС2/λ·T – 1],
где значения констант C1 и C2 составляют: C1 = 3,72·10–16 [Вт·м2]; С2 = 1,43·10–2 [м·К].
Закон Планка часто записывают как
Е0λ = f (λ, T).