2.3. Излучение

Излучение – это перенос энергии электромагнитными волнами (этот процесс обусловлен превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучением и его поглощением веществом).

Особенностью теплообмена излучением является то, что такой теплообмен не требует непосредственного контакта тел. Излучение рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, испускаемых телом. Излучение энергии сводится к преобразованию внутренней энергии тела в лучистую энергию электромагнитных колебаний. Излучение электромагнитных волн свойственно всем телам. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел сплошной, непрерывный. Это значит, что эти тела обладают способностью излучать (и поглощать) лучи всех длин волн. Распределение энергии в спектре излучающего тела определяется температурой тела. Носителями тепловой лучистой энергии являются волны инфракрасной части спектра излучения с длиной волны мм.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком. При постоянной поверхностной плотности интегрального излучения Е₀ (собственное излучение) излучающей поверхности F полный лучистый поток Q₀, Вт, определяется соотношением:

Q₀ = E₀ F. (2.18)

В общем случае, при попадании лучистого потока на другие тела, эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 2.2). Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та же часть энергии, которая отражается, попадает на другие тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело.

Таким образом, после ряда поглощений излучаемая энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Рис. 2.2. Распределение лучистого потока, падающего на тело

На основании закона сохранения энергии можно написать:

Q₀ = Q_A + Q_R + Q_D (2.19)

или для плотностей излучения:

E₀ = E_A + E_R + E_D. (2.20)

Здесь:

В безразмерном виде:

A + R + D = 1, (2.21)

где – коэффициент поглощения; – коэффициент отражения; – коэффициент проницаемости.

Коэффициенты поглощения, отражения и проницаемости зависят от природы тел, состояния их поверхности. Как видно из формулы (2.21), их значения могут изменяться в пределах от 0 до 1.

Тело, которое полностью поглощает всю падающую на него лучистую энергию, т. е. А=1, D=R= 0, называют абсолютно черным телом.

Если R=1, А = D = 0, то такое тело называют абсолютно белым телом (вся энергия отражается).

Если D=1, A= R = 0 – абсолютно прозрачным телом (вся энергия проходит насквозь).

Значения A, R и D зависят от природы тела, его температуры и длины волны излучения. Воздух, например, для тепловых лучей прозрачен, но при наличии в воздухе водяных паров или углекислоты он становится полупрозрачным.

Большинство твердых и жидких тел для тепловых лучей практически непрозрачны, т. е. D = 0:

A+R=1.

Однако, имеются тела, которые прозрачны лишь для определенных длин волн. Так, например, кварц для лучей с длинами волн более 0,04 мм, непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых лучей прозрачен. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых оно почти не прозрачно.

Точно также обстоят дела с понятиями поглощения и отражения. Белая поверхность хорошо отражает лишь видимые (солнечные) лучи. В жизни это свойство широко используется: белые летние костюмы, белая окраска цистерн и т. д. Невидимые же тепловые лучи белая ткань и краска поглощает также хорошо, как и темная.

Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем у шероховатых.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не сущест вует. Наиболее близки к абсолютно черному телу сажа и бархат (А=0,97, ..., 0,98), к абсолютно белому телу – полированные металлы (R=0,97). Одно- и двухатомные газы практически прозрачны.

Тела, у которых коэффициент поглощения 0<А<1 и поглощательная способность не зависит от длины волны падающего излучения, называются серыми телами. Большинство твердых тел можно рассматривать как серые тела.

Излучение абсолютно черного тела подчиняется следующим законам:

• закон Планка, устанавливающий зависимость между интенсивностью излучения J₀, длиной волны и термодинамической температу- рой Т:

(2.22)

где С₁ и С₂ – постоянные величины;

• закон Вина, исходя из закона Планка, дает зависимость от Т:

(2.23)

Из формулы (2.21) видно, что с повышением температуры длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения, смещается в сторону более коротких длин волн.

Рис. 2.3. Зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела от длины волны и температуры

• Закон Стефана-Больцмана дает возможность определить плотность лучистого потока Е₀ абсолютно черного тела:

(2.24)

где = 5,67 10^-8 Вт/(м² К) – константа излучения абсолютно черного тела.

В технических расчетах закон Стефана-Больцмана удобно применять в форме:

где – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел, у которых интенсивность излучения меньше, чем у черных тел при той же температуре, Е<E₀.