4.4. Тепловое излучение

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения теплоты в лучи­стую энергию и передачи ее в окружающую среду.

При нагревании тел часть теплоты в результате атомных возмущений неиз­бежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энер­гии яв­ляются элек­тромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты энергии). Ско­рость перемещения этих носителей в ва­кууме состав­ляет около 300·10⁶ м/сек. Ре­зультирующий тепловой поток от излучающей среды с абсо­лютной температурой Т_окр к поверхности, средняя абсолютная температура ко­торой равна Т_с определяется по формуле, основанной на за­коне Стефана-Больцмана:

, Вт/м², (5)

где σ₀ - коэффициент излучения, Вт/(м²·К⁴); ε_пр - приведенная степень черно­ты, зави­сящая от свойств излучаю­щей среды и поверхности и выра­женная в долях от сте­пени черноты абсолютно черного тела, принимаемой за единицу.

Природа тепловых и световых (видимых) лучей одна и та же. Тепловое излу­чение различных тел определяется их тепловым состоя­нием, а также при­родными свойствами. Температура резко влияет на лучеис­пускательную спо­собность тел, т. е. на количество энергии, излу­чаемой еди­ницей поверх­ности тела за единицу времени. Тело, обладаю­щее при данной температуре наиболь­шей излучательной способно­стью, называется абсо­лютно черным телом. Та­ких тел в природе не существует и все реальные тела излучают при одной и той же температуре только часть энергии абсо­лютно черного тела.

Лучистая энергия, излучаемая нагретым телом в пространство, падает на дру­гие тела и в общем случае частично поглощается ими, ча­стично отра­жается и ча­стью проходит сквозь тело (рис. 3). Отраженная телом и прошедшая сквозь него часть лучи­стой энергии рассеивается в окру­жающем пространст­ве. Таким обра­зом, лучистый теплообмен, или пере­дача теплоты лучеиспуска­нием от одних тел к другим, связан с двойным преобразованием энергии: теп­лоты - в лучистую энергию и обратно - лу­чистой энергии в теплоту.

Рис. 3. Передача падающей лучистой теплоты через различные материалы.

Разные тела по-разному поглощают, отражают или пропускают лу­чистый поток. На рис. 4 показано распределение энергии при падении излуче­ния на поверхность реального жидкого или твердого тела. Часть лучис­того потока, равная Q_R, отражается, другая часть потока Q_A поглощается те­лом, а остаток Q_D проходит сквозь тело.

Рис. 4. Распределение энергии при падении излучения

на поверхность тела.

Общий поток лучистой энергии состоит из следующих частей:

(6)

или (7)

где R = Q_r/Q - доля отражаемого телом лучистого потока (отра­жа­тельная спо­собность тела); A = Q_a/Q - доля поглощаемого телом лучис­того потока (погло­щательная способность тела); D = Q_D/Q - доля пропус­каемого телом через себя лучистого пото­ка (пропускательная способнос­ть тела). Вели­чины этих коэф­фициентов зависят от природы тела, состояния его поверх­но­сти, температуры тела и спектрального характера или вида излучения.

Тело, полностью отражающее все падаю­щие на него лучи, называ­ется белым; для него R = 1 и A = 0 = D. Если поверхность тела диф­фузно от­ражает все падающие лучи, причем равномерно во всех направлениях, ее на­зыва­ют абсолютно белой.

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называют абсо­лютно черным (для не­го А = 1 и R = 0 = D). Абсолютно черных и абсолютно белых тел в природе не существует. Тело, пропускающее через себя полностью все лучи без отражения и поглощения, назы­вают диатермичным (для него D = 1 и А = 0 = R). Чистый сухой воздух, вполне прозрачен для тепловых лучей, которые прохо­дят через него, не от­ражаясь и не поглощаясь. Однако, если в воз­духе содер­жатся пыль или трехатомные газы (углекислота, водяные па­ры и другие), то он не лучепрозрачен. Боль­шинство реальных твердых тел практи­че­ски не­прозрачно и поэтому для них D = 0 и A + R = 1.

Газообразные тела не отражают, но могут поглощать и пропускать лучи, для них R = 0 и А + D = 1. Продукты сгорания, содержащие угле­кислоту и во­дяные пары, являются полупрозрачными по отношению к тепловым лучам.

Поглощательная способность абсолютно черного тела А = 1.

Реальные тела, даже сажа или черный бархат, отражают не ме­нее 2-3% всей падающей на них лучистой энергии.