7. Теплообмен излучением

7.1. Основные понятия и определения

В любом теле при температуре большей, чем 0^оК некоторая доля внутренней тепловой энергии трансформируется в энергию электромагнитного поля, которое, покидая тело, распространяется в окружающем его пространстве. Это электромагнитное излучение, попадая на другие тела, частично поглощается, вновь трансформируясь при этом во внутреннюю тепловую энергию. Механизм этой трансформации станет понятным, если учесть, что внутренняя тепловая энергия представляет собой кинетическую энергию хаотического движения микрочастиц тела. Но скорость любой микрочастицы хаотически изменяется во времени. Микрочастицы имеют положительные и отрицательные электрические заряды. Из физики известно, что ускоренное (замедленное) движение электрических зарядов приводит к поглощению (излучению) электромагнитных волн. Помимо волновых свойств, электромагнитное излучение обладает также корпускулярными свойствами. Лучистая энергия испускается и поглощается телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света или фотонами. Таким образом, электромагнитное излучение и поглощение имеет двойственный характер, так как обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства – в волнах. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны  или частотой колебаний =с/, где с=2,997910⁸ м/с – скорость света в вакууме. Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и различаются лишь длиной волны. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до . К твердым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, можно отнести непроводники и полупроводники электричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Газы, пары и металлы с полированной поверхностью имеют прерывистый (селективный) спектр излучения. Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры тела его энергия излучения увеличивается, так как увеличивается внутренняя тепловая энергия тела. Важно отметить, что, если в систему входят разные тела и температуры их одинаковы, то тела в этой системе будут находиться в тепловом равновесии. Каждое из этих тел будет излучать, и поглощать электромагнитную энергию, но результирующий перенос этой энергии между телами будет равен нулю. Когда температуры тел не одинаковы, то результирующий перенос электромагнитной энергии уже не равен нулю и направлен от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. В процессах теплообмена излучением зависимость его от разности температур тел значительно больше, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Поэтому при очень больших перепадах температур между телами, даже разделенных вакуумом, основным видом переноса теплоты может быть теплообмен излучением. Процесс превращения внутренней тепловой энергии в лучистую энергию происходит во всем объеме тела. Но лучистая энергия частиц, расположенных далеко от поверхности тела, часто поглощается самим телом, а в окружающую среду попадает только энергия, испускаемая тонким поверхностным слоем. Твердые и жидкие тела, как правило, имеют значительные излучательную и поглощательную способности. У них в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои: у непроводников электричества они составляют около 1 мм, для проводников электричества 1мкм. Полупрозрачные тела (плавленый кварц, стекло и т. п.), а также газы и пары характеризуются объемным излучением, в котором участвуют все частицы объема тела.

Если из общего количества лучистой энергии Q, падающего на тело за единицу времени, поглощается Q_A, отражается Q_R и проходит сквозь тело Q_D, то

(7.1)

Отношение Q_A/Q=A называется поглощательной способностью, отношение Q_R/Q=R – отражательной способностью, а отношение Q_D/Q=D – пропускательной способностью:

A+R+D=1. (7.2)

Тело, поглощающее всю падающую на него энергию, называется абсолютно черным. Для такого тела А=1 и R=D=0. Абсолютно черных тел в природе нет и поэтому для реальных тел А1. Способность тела поглощать лучистую энергию зависит от природы тела, состояния его поверхности и температур источника излучения и самого тела. При температурах, близких к комнатной, поглощательная способность большинства неметаллических материалов больше 0,8, но она может значительно уменьшаться с увеличением температуры. Чистые металлические поверхности поглощают значительно меньше лучистой энергии, но с увеличение температуры их поглощательная способность увеличивается примерно пропорционально температуры в градусах Кельвина излучающей и поглощающей поверхностей). Окисление металлической поверхности приводит к увеличению ее поглощательной способности. При умеренных температурах источника излучения цвет поверхности не определяет ее поглощательную способность. В этих условиях белые тела так же хорошо поглощают лучистую энергию, как и темные. Так, например, снег имеет А=0,985.

Тела, отражающие всю падающую на них энергию, называются абсолютно белыми. В этом случае R=1 и A=D=0. Если при отражении угол падения излучения равен углу отражения, то такие тела называют зеркальными. Для реальных тел R1. Большинство твердых тел не пропускают лучистую энергию и для них A+R=1. Для них все факторы, увеличивающие поглощательную способность, одновременно уменьшают отражательную способность поверхности.

Тела, пропускающие всю падающую на них лучистую энергию, называются диатермичными. Для них D=1 и R=A=0. Наибольшей пропускной способностью обладают газы. Например, значительный слой воздуха можно считать диатермичным.

Излучение называется монохроматическим, если оно отвечает определенной частоте колебаний или длине волны (точнее, узкому интервалу длин волн). Излучение, отвечающее длинам волн от 0 до , называется интегральным. Для монохроматического излучения из уравнения (7.2) имеем

(7.3)

Для одного и того же тела при различных длинах волн величины A_, R_ и D_ могут иметь отличные значения. Так, обычное стекло хорошо пропускает световые лучи (=0,40,8 мк), но не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.