Лекц / pdf / 16 Лучистый теплообмен

Лучистый теплообмен

Основные определения и понятия

Лучистым теплообменом называется форма распространения между телами в пространстве энергии. При этом, как отмечалось выше, происходит двойное превращение внутренней энергии, внутренняя энергия тела превращается в лучистую и передается в пространстве путем электромагнитных волн (излучением), в свою очередь, поток энергии электромагнитных волн (лучистая энергия) при поглощении их другим телом вновь превращается во внутреннюю энергию.

Излучение вызванное колебаниями электронов может имеет высокую частоту, если электроны входят в состав атомов и молекул. Излучение веществ со свободными электронами имеет импульсный характер с волнами разной частоты, в том числе с волнами низкой частоты.

На волновой характер излучения влияют корпускулярные свойства, которые заключаются в том, что лучистая энергия излучается материальными телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света, или фотонами.

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и отличаются только длиной волны.

Большая часть твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает энергию во всем диапазоне длин волн. Некоторые тела (чистые металлы, газы и др.) излучают энергию только в определенных интервалах длин волн. Такое излучение называется выборочным или селективным.

Количество энергии излучаемой твердыми и жидкими те-

лами увеличивается с ростом температуры тела, для них характерно излучение и поглощение лучистой энергии тонким поверхностным слоем.

Количество энергии излучаемой газами зависит от температуры, толщины слоя и давления газа. В газах излучение и поглощение энергии происходит всем объемом.

Некоторые виды излучения обладают свойством превращаться в тепловую энергию при поглощении телами, вызывая нагревание. Это свойство излучения определяется длиной волны. В наибольшей мере такими свойствами обладает видимое инфракрасное (тепловое) излучение.

Количество энергии, излучаемое поверхностью тела во всем интервале длин волн (от λ=О до λ=∞) в единицу времени, называется полным (интегральным) лучистым потоком Q (Вт). Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим.

Лучистый поток, падающий на тело Q, частично им поглощается QA, частично отражается QR, частично проходит сквозь тело QD

Q = QA + QR + QD.

Разделив обе части равенства на Q и обозначив QA/Q=A; QR/Q=R, QD/Q=D получим: 1 = A+R+D.

Коэффициенты А, R, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускную (прозрачность) способности тела. В связи с этим они именуются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Эти коэффициенты для различных тел могут меняться от 0 до 1.

Тело, которое всю падающую на них лучистую энергию поглощает, QA=Q и А=1 (R=D=0), называют абсолютно черным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию отражает, QR=Q; R=1 (А=D =О), называют

абсолютно белым или зеркальным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию пропускает, QD=Q; D=1 (А=R=О), называют абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

Коэффициенты А, R, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускную (прозрачность) способности тела. В связи с этим они именуются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Эти коэффициенты для различных тел могут меняться от 0 до 1.

Тело, которое всю падающую на них лучистую энергию поглощает, QA=Q и А=1 (R=D=0), называют абсолютно черным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию отражает, QR=Q; R=1 (А=D =О), называют

абсолютно белым или зеркальным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию пропускает, QD=Q; D=1 (А=R=О), называют абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

Законы лучистого теплообмена

Закон Планка устанавливает зависимость между спектральной интенсивностью излучения абсолютно черного тела и абсолютной температурой тела.

Планк установил, что изменение интенсивности излучения по длинам волн для абсолютно черного тела подчиняется

следующему закону

E0l = c1l-5 (ec2 (lT ) - 1)-1 ,

где E0l – интенсивность излучения абсолютно черного тела,

Вт/м3; с1 = 3,74·10-16 Вт·м2 - первая постоянная Планка;

l- длина волны, м; с2=0,0144 м·К – вторая постоянная Планка.

3акон Стефана - Больцмана устанавливает связь между плотностью полусферического интегрального излучения абсолютно черного тела и абсолютной температурой тела. Плотность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени

где σ0, c0 – коэффициенты пропорциональности (постоянные излучения); σ0 = 5,76·10-8 Вт/( м2 ·K4); c0 = 5,76 Вт/(м2 ·K4).

Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывается в виде