2.3. Тепловое излучение

Основные понятия и определения. Законы теплового излучения. Лучистый теплообмен между телами, экранирование. Излучение газов и паров. Процессы сложного теплообмена.

По теме предусмотрена одна лабораторная работа и задачи контрольной работы. После изучения теоретического материала следует ответить на вопросы для самопроверки. Более подробная информация по теме – в источниках [1], [3].

2.3.1. Основные понятия и определения

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, испускаемиое телами, температура которых выше абсолютного нуля. Оно зависит только от абсолютной температуры тела и его оптических свойств.

Энергия излучения испускается и поглощается не непрерывно, а отдель-ными дискретными порциями - квантами, носителями которых являются фото-ны, распространяющиеся со скоростью света с. Энергия каждого фотона равна h, где h - постоянная Планка,  - частота излучения Для характеристики излучения можно использовать также длину волны излучения . Длина волны и частота связаны соотношением с = .

Тепловая энергия тела преобразуется в лучистую во всем объеме тела, но с окружающей средой взаимодействует только поверхностный слой твердых тел, активная толщина которого зависит от природы тела - для металлов она порядка 1 мкм, а для неметаллов 1мм. В зависимости от длины волны электромагнитная природа излучения проявляется по-разному – так, например, в порядке возра-стания длины волны в используются названия: космические, рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные (тепловые) и радиоволны. Тепло-выми называются волны, длины которых лежат в пределах 0,4…800 мкм.

Основными характеристиками теплового излучения являются: лучистый поток Q, Вт, плотность потока излучения Е, Вт/м², интенсивность или спект-ральная плотность потока излучения Е_λ, Вт/м². Полный лучистый, или интег-ральный, поток Q - это количество излучаемой в единицу времени энергии с поверхности тела в окружающую ее полусферу, соответствующее всему спектру длин волн - от нуля до бесконечности. Лучистый поток, падающий с единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям полупространства (полусферы), называется плотностью полусферического излучения Е.

Все тела при любых температурах выше абсолютного нуля излучают и поглощают энергию. Из лучистой энергии Q при попадании на другое тело часть ее Q_А поглощается, часть Q_R отражается, а оставшаяся энергия Q_D проходит сквозь тело. Энергия, поглощаемая телом, превращается в теплоту. Отраженная энергия поглощается окружающими телами и рассеивается. Процессы взаимного испускания, отражения и поглощения энергии в системах различных тел называют лучистым теплообменом.

В соответствии с законом сохранения и превращения энергии уравнение теплового баланса для лучистого теплообмена между телами имеет вид

Q = Q_А + Q_R + Q_D, (2.61)

или в безразмерной форме

A + R + D = 1,

где A = Q_А / Q; R = Q_R / Q; D = Q_D / Q - соответственно коэффициенты поглощения, отражения и пропускания.

Тело называется абсолютно черным, если оно поглощает всю падающую на него энергию (А = 1, R = D = 0). Абсолютно черных тел в природе нет. Наибольшим коэффициентом поглощения обладает нефтяная сажа, для которой А = 0,94…0,96.

Если вся энергия, падающая на тело, отражается (R = 1, A = D = 0), то такое тело называют зеркальным, если отражение происходит по законам геометри-ческой оптики, или абсолютно белым, если отражение рассеянное.

Тела, пропускающие всю падающую на них энергию, называются абсо-лютно прозрачными, или диатермичными. Примером прозрачной среды может служить чистый воздух.

Нагретое тело обладает собственной энергией излучения E₁, но оно может отражать и поглощать падающее на него излучение со стороны других тел E₂. Сумма собственного излучения и отраженного называется эффективным излу-чением: E_эф = E₁ + (1 – А₁) E₂ .

Результирующим излучением E_рез называется разность между собственным излучением тела E₁ и поглощенной частью А₁E₂ падающего внешнего излу-чения E₂: E_рез = E₁ – А₁ E₂. Тела, поглощательная способность которых не зависит от длины волны излучения, называют серыми. На практике большинство тел можно считать серыми. Как правило, твердые тела и жидкости для тепловых лучей не прозрачны (D = 0) и для них A + R = 1. Из этого следует, что если тело хорошо отражает, то оно плохо поглощает лучистую энергию и наоборот.