4.Теплообмен излучением

4.1. Описание процесса

Процессы передачи теплоты можно разделить на две категории. Первая определяется тем, что структурные элементы среды, находящиеся на пути переноса теплоты, принимают участие в процессе переноса. Это уже рассмотренные ранее теплопроводность и конвекция. Вторая категория характерна тем, что среда может не принимать участия в переносе теплоты. Это тепловое излучение. Таким образом, между процессами теплопроводности и конвекции, с одной стороны и тепловым излучением - с другой, существует принципиальная разница.

Конвективный перенос теплоты и теплопроводность рассматривались при непрерывном температурном поле и в тех случаях, когда теплота переходит от твердого тела к жидкости и наоборот. Температурный градиент всегда имел конечное значение.

Тепловое излучение – сложный процесс, связанный с тем, что, по крайней мере, дважды происходит преобразование энергии: сначала переход тепловой энергии в излучение электромагнитных волн (эмиссия), затем движение волн (фотонов) и, наконец, поглощение электромагнитных колебаний поглощающей средой или телом (абсорбция) – еще одно преобразование энергии.

Рис. 4.1. Схема преноса теплоты излучением

Тепловое излучение рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, испускаемых излучающим телом. Эти волны распространяются прямолинейно и при поглощении их каким-либо телом или средой вновь превращаются в теплоту.

Носители лучистой тепловой энергии – электромагнитные волны отличаются от соответствующих другим видам излучения волн (космические, - излучение, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, световые лучи, электромагнитные волны) только длиной волны. Область теплового излучения в электромагнитном спектре охватывает диапазон ג =0,810^-3 – 0,8 мм.

Большинство твердых тел и жидкостей излучают энергию на всех длинах волн (от 0 до ∞), то есть такие тела имеют непрерывный спектр излучения.

Излучение, соответствующее всему спектру длин волн в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным излучением или просто излучением (от 0 до ∞).

Газы и пары характеризуются прерывистым (селективным) спектром излучения. Излучения соответствующие определенным интервалам дли волн в пределах от גmin до ג max ,называется избирательным или селективным.

Излучение в весьма узком интервале волн от  до (+d) при длине волны  называется спектральным.

В твердых и жидких непрозрачных телах в процессе теплообмена излучением участвует тонкий поверхностный слой (0,001-1 мм), поэтому тепловое излучение можно рассматривать как поверхностное явление.

Полупрозрачные тела (плавленый кварц, стекло, оптическая керамика и др.), а также газы и пары характеризуются объемным излучением, в котором участвуют все частицы вещества.

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры внутренняя энергия тела увеличивается и, как следствие, увеличивается энергия излучения. В процессе излучения зависимость от температуры большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Вследствие этого при высоких температурах основным видом переноса может быть тепловое излучение.

Тепловое излучение может быть диффузным и направленным. При диффузном излучении лучистая энергия излучается равномерно во всех направлениях.