21 Теплообмен излучения

Тепловое излучение – это процесс распространения внутренней энергии тела путём электромагнитных волн. При нагревании тела часть тепловой энергии превращается в лучистую энергию, которая передаётся другим телам, т.е. поглощается другими телами, и превращается в тепловую энергию другого тела. Таким образом, происходит двойное преобразование энергии – тепловой энергии в лучистую и лучистой в тепловую.

Электромагнитными волнами называются электромагнитные возмущения, исходящие из излучаемого тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света . При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами эти волны вновь превращаются в энергию теплового движения молекул.

П омимо волновых свойств излучение обладает корпускулярными свойствами, т.е. лучистая энергия излучается и поглощается веществами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями, т.е. квантами света или фотонами. Синтезом непрерывности поля электромагнитных волн и дискретности фотонов являются представление о том, что энергия и импульсы сосредоточены в фотонах, а вероятность их нахождения в том или ином месте пространства сосредоточена в волнах.

Излучение характеризуется длиной волны  и частотой колебаний , [Гц]. Энергия кванта определяется как , где h = 6,62610^–34 Джс – постоянная Планка.

В зависимости от длины волны  различают следующие виды излучений:

1) Космическое излучение: мкмк (1 мкмк=10^–9 мм, 1 ммк=10^–6 мм, 1 мк=10^–3 мм).

2) -излучение: =0,050,1 мкмк.

3) Рентгеновское излучение: =1 мкмк20 ммк.

4) Ультрафиолетовое излучение: =20 ммк0,4 мк.

5 ) Видимое (световое) излучение: =0,40,8 мк.

6) Инфракрасное (тепловое) излучение: =0,8 мк0,8 мм.

7) Радиоволны: =0,2 ммХ км.

Наибольший интерес представляют пункты 5 и 6. Т.к. природа световых лучей аналогична природе тепловых лучей, то тепловое излучение подчиняется законам распространения, отражения, преломления, установленным для видимых лучей, т.е. тепловые лучи подчиняются законам оптики. Большинство твёрдых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до . Газы и пары имеют селективный или прерывистый спектр излучения (рис. 4.1).

В общем случае интенсивность излучения определяется абсолютной температурой поверхности тела, материалом, состоянием поверхности, а для газов и паров интенсивность излучения определяется толщиной слоя газа и давлением р.

1 – излучение абсолютно чёрного тела;

2 – излучение серого тела;

3 – селективное (выборочное) излучение газов и паров;

Энергия излучения, соответствующая узкому интервалу длин волн от  до +d, называется потоком монохромного излучения Q_.

Суммарное излучение с поверхности тела во всём интервале длин волн называется интегральным или полным излучением Q. Отношение лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала называется спектральной плотностью потока излучения:

. (4.1)

Поверхностная плотность потока интегрального излучения (плотность потока излучения) E – количество энергии, излучаемое в полусферическое пространство единицей поверхности в единицу времени, называется излучательной способностью поверхности тела:

, [Вт/м²]. (4.2)

Количество энергии, излучаемое в направлении под углом  с нормалью к поверхности единицей элемента площадки в единицу времени в пределах единичного элемента телесного угла d, называется угловой плотностью потока излучения:

.

Интенсивность (яркость) излучения

.

Поток полного (или интегрального) излучения

, , .

Полное излучение Q и плотность потока излучения Е определяются природой тела и его температурой и называются собственным излучением тела.

Имеем тело, на которой падает общий поток энергии:

Q_O – общий поток энергии;

Q_R – отражённая энергия;

Q_A – поглощённая энергия;

Q_D – прошедшая энергия.

,

,

, (4.3)

где A – поглощательная способность тела, при – абсолютно чёрное тело;

R – отражательная способность тела, при – зеркальное тело (при диффузионном отражении энергия испускается телом во все направления – такое тело называется абсолютно белым);

D – пропускная способность тела, при – абсолютно проницаемое (или прозрачное) тело (деатермичное тело).

А бсолютно чёрных, белых и прозрачных тел в природе нет. Все тела считаются серыми.