4.5. Теплове випромінювання

Довжини хвиль теплового випромінення лежать в основному у невидимій (інфрачервоній) частині спектра і мають довжину 800-40000 нм. Вони відрізняються від видимих світлових променів лише довжиною (довжина світлових хвиль 400-800нм).

Тверді тіла володіють суцільним спектром випромінення: вони здатні випромінювати хвилі всіх довжин за будь-якої температури. Проте інтенсивність теплового випромінення зростає із підвищенням температури тіла, і при високих температурах (приблизно при t ≥ 600°С) проміневий теплообмін між твердими тілами і газами набуває домінуючого значення.

Теплове і світлове випромінення має однакову природу і тому характеризується спільними законами: промінева енергія розповсюджується в однорідному і ізотропному середовищі прямолінійно. Потік променів, що виділяється нагрітим тілом, потрапляючи на поверхню іншого, променевипромінюючого тіла, частково поглинається, частково відбивається (при цьому кут падіння рівний куту відбиття) і частково проходить крізь тіло без змін.

Якщо тіло повністю поглинає всі промені, що на нього падають, то таке тіло називається абсолютно чорним.

Тіло, яке відбиває всі промені, що на нього падають, називається абсолютно білим.

Тіло, яке пропускає всі промені, що на нього падають, називається абсолютно прозорим або діатермічним.

Абсолютно чорних, абсолютно білих і абсолютно прозорих тіл реально не існує. Всі тіла в природі, які поглинають, відбивають і пропускають ту чи іншу частину променів, що на них падають називаються сірими тілами.

Кількість енергії, що випромінюється тілом в одиницю часу в усьому інтервалі довжин хвиль (від λ=0 до λ=∞) одиницею поверхні F тіла, характеризує випромінюючу здатність E тіла:

E = , (1.4)

де – енергія, випромінювана тілом.

Після перетворення, розкладання знаменника в ряд і наступного інтегрування рівняння (1.4) приходимо до ряду, що сходиться, обрахунок суми членів якого дозволяє виразити повну енергію випромінювання або випромінювальну здатність абсолютно чорного тіла:

Е₀ = К₀·Т⁴, (1.5)

де Т – абсолютна температура поверхні тіла, °К; К₀=5,67·10^-8 вт/(м²·°К⁴) – константа випромінення абсолютно чорного тіла.

Рівняння (1.5) має назву закону Стефана-Больцмана. Згідно закону, випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню абсолютної температури його поверхні.

Для сірих тіл необхідно знати залежність між їх випромінювальною і поглинальною здатністю. Ця залежність виражається законом Кірхгофа, згідно якому відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності при цій же температурі є величиною сталою, рівною випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла.

Теплові промені, потрапляючи на шероховаті поверхні, багаторазово відбиваються від неї, що приводить до кращого поглинання променевої енергії у порівнянні із поглинанням гладкою поверхнею.

Тоді у відповідності із законом Кірхгофа, шероховаті поверхні повинні володіти також більшою випромінювальною здатністю, ніж гладкі. Навпаки, випромінювальна здатність полірованих поверхонь, що добре відбиває промені, які на неї падають, у відповідності до закону Кірхгофа, повинна бути низькою.