5.4 Теплообмен излучением

Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях одно от другого. Отличным примером этого явления служит излучение Солнца на Землю. В технике теплообмен излучением имеет место в котлах, в системе отопления зданий, в сушильных агрегатах и т.п. При высоких температурах теплообмен излучением преобладает над остальными видами теплообмена и имеет в связи с этим важное значение. Лучеиспускание тела в пространство может быть равномерным или направленным.

Лучистая энергия, испускаемая на какое-либо тело, в зависимости от его физических свойств, формы и состояния поверхности частично поглощается этим телом и переходит в тепловую (а иногда и другие формы энергии), а остальная часть отражается и частично проходит через него (рисунок 4).

Рисунок 4─ Схема распределения лучистой энергии, падающей на тело

Обозначим через общее количество лучистой энергии, падающей на тело, а через и — соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него:

(24)

Тогда, разделив обе части равенства на , получим

(25)

или

где — поглощательная способность тела;

— отражательная способность тела;

— пропускная способность тела.

Из приведенного рассмотрения следует, что величины и являются безразмерными коэффициентами поглощения, отражения и пропускания.

В зависимости от конкретных физических свойств тела, его температуры и длины волны падающего излучения численные значения коэффициентов и могут быть различными, а в частных случаях и равными нулю.

Если (т.е. ), то тело полностью поглощает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет ( ). Свойствами, близкими к абсолютно черному телу, обладают нефтяная сажа ( ), вода и лед ( ), черное сукно ( ), черный бархат ( ).

Если (т.е. ), то тело полностью отражает падающие на него тепловые лучи. Такое тело называется зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное) либо абсолютно белым (если отражение рассеянное — диффузное). К числу тел, близких по свойствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов (золото, медь и др.). Для полированных металлов . Белая оштукатуренная наружная поверхность стены хорошо отражает солнечные (видимые) лучи, а невидимые тепловые лучи интенсивно ею поглощаются.

Если (т. е. ), то тело пропускает через себя все падающие на него лучи. Такое тело называется абсолютно проницаемым (прозрачным), или диатермичным. Воздух — практически прозрачная среда, твердые тела и жидкости непрозрачны. Многие тела прозрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрасного излучения.

Основные законы теплового излучения

Закон Стефана — Больцмана. И. Стефан (1879 г.) экспериментально, а Л. Больцман (1881 г.) теоретически установили связь излучательной способности абсолютно черного тела с температурой. В технических расчетах закон Стефана — Больцмана используется в следующем виде:

(26)

где — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,68 Вт/(м²К⁴).

Реальные тела, называемые обычно серыми, по интенсивности излучения отличаются от абсолютно черного тела, но закон Стефана — Больцмана применим и к серым телам, если учесть степень их черноты

(27)

где — излучательная способность серого тела; — излучательная способность абсолютно черного тела.

Применительно к реальным телам закон Стефана — Больцмана приобретает следующий вид:

(28)

где — коэффициент излучения.

Величина степени черноты зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая). Например, чистые стальные и чугунные поверхности при t=20°C имеют , кирпич красный при той же температуре имеет , а оштукатуренная известковая поверхность при имеет .

Закон Ламберта.

По закону, установленному Ламбертом, максимальное излучение единицей поверхности происходит по направлению нормали к ней.

Если — количество энергии, излучаемое по нормали к по­верхности, a — по направлению, образующему угол с нормалью, то, по закону Ламберта,

(29)

Таким образом, закон Ламберта определяет зависимость излучаемой телом энергии от ее направления.

Закон Кирхгофа.

По закону Кирхгофа отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре и зависит только от температуры, т. е.

(30)

Так как , то для всех серых тел , т.е. поглощательная способность тела численно равна степени его черноты.