Теплообмен излучением

6.1 Основные понятия и определения

Излучение – превращение внутренней энергии тела в электромагнитные волны и их распространение в пространстве.

Поглощение – превращение энергии падающих на тело электромагнитных волн во внутреннюю энергию.

Теплообмен излучением – процесс переноса теплоты, обусловленный взаимным излучением и поглощением тел, имеющих разные температуры. Процесс передачи теплоты излучением между двумя телами, разделенными полностью или частично пропускающей излучение средой, происходит в три этапа:

• превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн;

• распространение электромагнитных волн в пространстве;

• поглощение энергии излучения другим телом.

Главная особенность теплообмена излучением – отсутствие непосредственного контакта между телами, т. к. для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды. Электромагнитные волны могут переносить энергию на достаточно большие расстояния даже в вакууме, где скорость их распространения равна скорости света.

Тепловое излучение, связанное с распространением электромагнитных волн, характеризуется длиной волны . Виды излучения, соответствующие различным длинам электромагнитных волн показаны на рисунке 6.1. Передача теплоты излучением происходит как в видимой ( = 0,4 - 0,76 мкм), так и в инфракрасной ( = 0,76 - 400 мкм) областях спектра.

Спектр излучения различных тел. Спектры излучения всех тел можно причислить к одному из трех типов: линейчатому, полосатому или сплошному.

Рассмотрим спектр излучения. Чтобы судить о спектре поглощения вспомним из курса физики закон Кирхгофа в виде: всякое вещество поглощает те лучи, которые само может испускать.

Линейчатый спектр характерен для газов в атомарном состоянии, когда атомы практически не взаимодействуют друг с другом. Излучение таких газов в спектре дает линии очень узкой (но конечной) ширины. Используя квантово-механические представления, можно сказать, что линейчатый спектр излучения газов обусловлен переходом атома с одного электронного уровня энергии на другой. Каждому газу присущ вполне определенный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или групп. При больших давлениях атомы взаимодействуют друг с другом, поэтому спектральные линии расширяются. При очень высоких температурах атом газа распадается на положительные ионы и электроны, которые находятся в свободном состоянии и при своем ускоренном движении образуют сплошной спектр излучения.

Полосатый спектр — спектр излучения молекул. Это более сложный спектр, в котором каждая полоса состоит из множества линий. Энергия молекулы

Е = Е_эл + Е_кол + Е_вращ

где Е_эл — энергия движения электронов относительно ядер; Е_кол — энергия колебания ядер (периодическое изменение относительного положения ядер); Е_вращ — энергия вращения ядер (изменение ориентации молекул в пространстве).

Известно, что Е_эл » Е_кол » Е_вращ. Расстояние между вращательными уровнями энергии гораздо меньше расстояния между колебательными, а в свою очередь, расстояние между колебательными уровнями гораздо меньше расстояния между электронными. Следовательно, наименьшую энергию надо затратить на возбуждение вращательного уровня энергии. Поскольку излучение — это переход с одного уровня энергии на другой, то сложный спектр излучения молекул объясняется многообразием переходов с одного энергетического уровня на другой. При таких переходах в спектре излучения появляются полосы, называемые колебательными, вращательными, электронно-колебательными, колебательно-вращательными и др.

Сплошной спектр излучения характерен для жидких и твердых тел. В жидких и твердых телах, где частицы сильно взаимодействуют друг с другом, энергия каждой из них включает в себя и энергию ее взаимодействия с другими частицами, которая может иметь самые разнообразные значения. Поэтому вместо отдельных энергетических уровней, характерных для газов, здесь образуются сплошные полосы возможных энергетических состояний. При этом значение квантов излучения может быть самым различным. В результате спектр излучения получается сплошным.

Поглощение излучения. Французским ученым П. Бугером (1698— 1758 гг.) был установлен закон, согласно которому уменьшение интенсивности излучения при прохождении света через вещество происходит по закону экспоненты, т.е. интенсивность излучения на выходе из слоя поглощающего вещества в е^-х (х — толщина слоя) раз меньше, чем на входе в него. Коэффициент  называется коэффициентом поглощения, который зависит от длины волны и др. На опыте можно убедиться в том, что коэффициент  мал для газов и велик для металлов. Действительно, луч света, хотя и с большим ослаблением, проходит через толстый слой водяного пара (тумана), а даже через тонкую металлическую пластину не проходит.

Физически большой коэффициент поглощения металла объясняется тем, что в металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. При этом энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию.

Процесс излучения происходит во всем теле. Но в твердых телах и жидкостях наружу выходит лишь излучение поверхностного слоя, т. к. внутри этих тел излучение одних частиц поглощается другими (соседними). Энергия излучения, исходящая от таких тел, пропорциональна площади поверхности. Газы, если они в данной области спектра не прозрачны для теплового излучения, поглощают и излучают во всем объеме. Поэтому энергия излучения газа пропорциональна занимаемому им объему. Поглощение или излучение газов называется объемным.

Рисунок 6.1 - Электромагнитный спектр

Теплообмен излучением становится особенно существенным при высоких температурах или в условиях, когда перенос теплоты другими способами затруднен (например, в вакууме).

Суммарное излучение поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра в единицу времени называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q (Вт).

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям полусферического пространства, называется излучательной способностью, удельным лучистым потоком или поверхностной плотностью интегрального излучения Е (Вт/м²).

При постоянной излучательной способности Е по всей излучающей поверхности площадью F полный лучистый поток Q определяется по формуле

, (6.1)

Различают интегральное излучение, которое охватывает весь спектр длин волн  = 0, и монохроматическое излучение, которое охватывает достаточно узкий диапазон длин волн от  до ( + d).

Интенсивность излучения I характеризует способность тела испускать энергию с длиной волны .

, (6.2)