6.3 Излучение газов

Одно- и двухатомные газы (N₂, O_2, Н₂ и т.д.) обладают ничтожной способностью излучать и поглощать энергию. Значительной способностью обладают многоатомные газы: СO_2, Н₂О, SO₂, NH₃.

Отличие излучения газа от излучения твердых тел

1)Твердые тела имеют обычно сплошные спектры излучения, т.е. они излучают и поглощают энергию всех длин волн от 0 до .

Газы же излучают и поглощают энергию в определенных интервалах длин волн - в так называемых полосах, расположенных в различных частях спектра. Для лучей других длин волн, вне этих полос, газы прозрачны.

Т.о. излучение и поглощение газов имеет избирательный (селективный) характер.

2) Процессы испускания и поглощения лучистой энергии в твердых (непрозрачных) телах происходит на поверхности. В газах же излучение и поглощение всегда протекает в объеме.

6.3.1 Теплообмен в поглощающих и излучающих средах

При прохождении лучистой энергии через полупрозрачные среды (, это стекло, газы, пары и т.д.) энергия будет поглощаться и рассеиваться. Кроме того, среда может иметь собственное излучение. Вследствие этого интенсивность излучения вдоль какого – либо направления () будет изменяться.

Уравнение, определяющее изменение интенсивности луча за счет поглощения, излучения и рассеивания среды, называется уравнением переноса лучистой энергии.

Случай 1. Уравнение переноса энергии в поглощающей среде.

Опыты показывают, что уменьшение интенсивности луча при прохождении через слой поглощающей среды пропорционально этой интенсивности и бесконечно малому пути луча и зависит от свойств тела:

- основной закон переноса энергии в поглощающей среде.

Знак «-» указывает на убывание интенсивности излучения.

- спектральный коэффициент поглощения среды, характеризует относительное изменение интенсивности излучения на единицу длины луча, .

Разделим переменные:

.

Интегрируя, получим:

,

- закон Бугера,

где ; если, то:

- оптическая толщина среды.

Поглощательная способность среды:

,

где - зависит от физической природы среды, длины волны, температуры и давления (для газов).

1) При ,, т.е. поглощение может происходить только в слое вещества конечной толщины.

2) При ,, т.е. слой большой толщины поглощает луч целиком.

3) Если , то поглощение происходит целиком в тонком поверхностном слое.

Случай 2. Уравнение переноса энергии в поглощающей и излучающей среде.

При прохождении тепловых лучей в поглощающей среде поглощенная энергия переходит в теплоту и снова излучается средой. Т.е. интенсивность луча с одной стороны будет уменьшаться вследствие поглощения, а с другой – будет увеличиваться за счет собственного излучения; тогда:

.

После интегрирования и в случае постоянных величин температуры, оптических свойств среды и давления получим уравнение:

,

где - интенсивность собственного излучения.

Первое слагаемое этого уравнения определяет долю интенсивности падающего излучения , проходящее путь от 0 до.

Второе слагаемое – интенсивность собственного излучения, возникающего на всем протяжении среды длиной .

Учитывая, что , получим:

.

Если среда характеризуется еще и рассеянием лучистой энергии (ослабляющая среда), то вместо вводится- коэффициент ослабления среды.