15. Теплообмін випромінюванням

15.1. Основні поняття й визначення

Теплообмін випромінюванням являє собою перенесення теплоти електромагнітними хвилями. Енергія випромінювання випускається не безперервно, а у вигляді окремих порцій – квантів енергії. Випромінювання має двоїстий характер, оскільки характеризується хвильовими й корпускулярними властивостями. У вакуумі хвилі поширюються зі швидкістю світла й характеризуються довжиною хвилі λ і частотою коливань ν. Носіями енергії є елементарні частки, які називаються фотонами. Вони мають електромагнітну масу, енергією й кількість руху. При попаданні на інші тіла енергія випромінювання частково поглинається, частково відбивається й частково пропускається. Більшість твердих і рідких тіл випромінюють енергію в інтервалі довжин хвиль від 0 до ∞ (широкий спектр випромінювання). Гази випромінюють енергію тільки в певних інтервалах довжин хвиль. Тверді тіла випромінюють енергію поверхнею, а гази - об'ємом.

Випромінювана в одиницю часу енергія в інтервалах довжин хвиль від  до d називається потоком монохроматичного випромінювання – Q_, Вт. Випромінювана в одиницю часу енергія в усіх напрямках напівсферичного простору в інтервалі довжин хвиль від 0 до  називається повним (інтегральним) потоком випромінювання - Q, Вт. Інтегральний потік випромінювання в одиницю часу з одиниці площі поверхні F називають щільністю інтегрального випромінювання – E, : ; , при E=const .

Щільність потоку монохроматичного випромінювання називається спектральною інтенсивністю випромінювання .

Падаюча енергія: . Поділивши це рівняння на Е_пад, одержимо 1=А+R+D, де А – коефіцієнт поглинання, R – коефіцієнт відбиття, D – коефіцієнт пропускання. При А=1, R=0, D=0 – абсолютно чорне тіло; при А=0, R=1, D=0 – абсолютно біле; при А=0, R=0, D=1 – абсолютно прозоре. У природі абсолютних тіл немає, є сірі тіла. Власне випромінювання Е і відбите Е_відб. Називається ефективним випромінюванням: . Різниця між власним і поглиненим випромінюванням називається результуючим випромінюванням:

.

Взаємозв'язок між видами випромінювання: .

15.2. Закони випромінювання

1. Закон Планка – встановлює залежність між спектральною інтенсивністю випромінювання, довжиною хвилі й температурою , с₁, с₂ – постійні коефіцієнти.

2. Закон Вина – величина I_ має максимум на певній довжині хвилі .

3. Закон Стефана-Больцмана – власне інтегральне випромінювання пропорційне температурі в четвертій степені.

Для абсолютно чорного тіла , для сірих тіл , ступінь чорноти .

4. Закон Кірхгоффа – ступінь чорноти дорівнює коефіцієнту поглинання або .

5. Закон Ламберта – потік випромінювання абсолютно чорного тіла в даному напрямку l пропорційний потоку випромінювання, що випускається по нормалі n і косинусу кута  між ними: .

15.3. Теплообмін випромінюванням у прозорому середовищі

1. Паралельні пластини.

Результуючий потік випромінювання між двома пластинами:

Приведений ступінь чорноти .

2. Тіло усередині іншого тіла. Енергія випромінювання опуклого першого тіла повністю попадає на друге, тоді як увігнутого другого тіла на перше попадає частина енергії.

Результуючий потік: . Наведений ступінь чорноти: .

3. Тіла довільно розташовані.

;

де - середні кутові коефіцієнти випромінювання, що показують, яка частина потоку ефективного випромінювання попадає з одного тіла на інше по відношенню до всього потоку випромінювання, ; .

4. Екрани – зменшують результуючий потік випромінювання при наявності екранів. Один екран зменшує q в 2 рази. , при наявності n екранів , _еi – ступінь чорноти i-го екрана.

С₀=5,67 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла.