1.Общие сведения. Основные понятия и определения
1.1.Природа теплового излучения
Тепловое излучение
представляет собой процесс распространения
внутренней энергии излучающего тела
путем электромагнитных волн. Эти волны
в однородной изотропной среде или в
вакууме распространяются прямолинейно
со скоростью света и подчиняются
оптическим законам преломления,
поглощения и отражения. Помимо волновых
свойств излучение обладает также и
корпускулярными свойствами, т.е. лучистая
энергия испускается и поглощается
материальными телами не непрерывно, а
отдельными дискретными порциями -
квантами света или фотонами. Следовательно,
излучение имеет двойственный характер,
поскольку оно обладает свойствами
непрерывности поля электромагнитных
волн и свойствами дискретности, типичными
для фотонов. Из сказанного выше следует,
что энергия и импульсы сосредоточиваются
в фотонах, а веро-ятность нахождения
их в том или ином месте пространства –
в волнах. Напомним, что энергия фотонов
равна
,
где
Дж. с(постоянная
Планка) и
- частота колебаний эквивалентного
электромагнитного поля. Длина волны
связана с частотой
соотношением
=с,
где с – скорость света (в вакууме
м/с). Все виды электромагнитного излучения
имеют одинаковую природу и различаются
лишь длиной волны (мкм):
Космическое
и
- излучение ……………………………..0,00001…0,001
Рентгеновское………………………………………………... 0,001…0,02
Ультрафиолетовое…………………………………………….. ..0,02…0,40
Видимое………………………………………………………….0,40…0,80
Тепловое (инфракрасное)………………………………………0,80…1000
Радиоволны…………………………………………………….1000 и выше
Количественное различие в длине электромагнитных волн приводит к тому, что общие стороны явлений для разных длин волн проявляются с различной отчетливостью. Так, квантовые или корпускулярные свойства проявляются наиболее существенно в коротковолновом излучении. Харак-терные же волновые свойства наиболее отчетливо наблюдаются у ради-оволн.
Передача теплоты излучением может происходить как в видимой части спектра так и в невидимой – инфракрасной. Инфракрасная часть спектра состоит из трех частей: ближней, с длинами от 0,76 до 15 мкм, средней – от 15 до 100 мкм и далекой инфракрасной – от 100 до 1000 мкм. При температурах, встречающихся в металлургической и котельной теплотехнике, основная часть тепловых лучей имеет длины волн, располагающиеся в ближней инфракрасной части спектра.
Теплообмен излучением существенно отличается от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. Если перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией характеризуется тепловым потоком, который вполне опре-деляется в каждой точке среды локальным градиентом температуры, то при теплообмене излучением лучистый поток в произвольном, относительно малом объеме прозрачной среды не зависит от температуры и градиента температуры в этом объеме, а определяется излучением внешних источ-ников. Поэтому лучистый поток определяется интегрально в результате суммирования излучения от всех внешних источников (излучающих тел). Для передачи теплоты теплопроводностью или конвекцией между телами обязательно наличие среды, энергия же излучения может передаваться и через вакуум.
Большинство твердых и жидких тел имеет непрерывный спектр излу-чения, т.е. излучает энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞. Некоторые тела излучают энергию в определенных интервалах длин волн, испускают энергию с прерывистым спектром. Такое излучение называется селективным.
Частным случаем селективного излучения является монохроматическое излучение, когда оно происходит при одной длине волны. Селективным излучением характеризуются газы, а также некоторые твердые тела, напри-мер, кварц. Излучение различных тел зависит от природы тела, его температуры, состояния поверхности, а для газов – от толщины слоя и давления. Большинство встречающихся в природе и технике твердых и жидких тел имеет значительную поглощательную и излучательную способность, поэтому в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для таких тел тепловое излучение в ряде случаев приближенно можно рассматривать как поверхностное явление. В излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер.