Тема 1.3 Теплообмін випромінюванням

План

Природа теплового випромінювання. Основні поняття і визначення.
Променистий потік, щільність променистого потоку.
Поглинальна, відбивна і пропускна здібності тіл.

1 Особливістю променистого теплообміну є відсутність безпосереднього стикання тіл, тому він може відбуватися при великій відстані від одного тіла до іншого.

Носієм променистої енергії є електромагнітні коливання з різною довжиною хвиль. В залежності від довжини хвилі розрізняють рентгенівські, світлові, проме-ні, інфрачервоні тощо. В теплообміні велике значення мають світлові, але більше – теплові (інфрачервоні) промені.

Теплове випромінювання властиве всім тілам; кожне з них при температурах, які відрізняються від абсолютного нуля, випромінює енергію безперервно.

Теплообмін випромінюванням є видом теплообміну, при якому енергія перено-ситься за допомогою електромагнітних хвиль (фотонів). Визначається тільки темпера-турою тіла та його оптичними властивостями і здійснюється в три етапи:

внутрішня енергія тіла спочатку перетворюється в енергію випромінювання;
енергія випромінювання поширюється в просторі;
енергія випромінювання знову перетворюється в теплоту, тобто у внутрішню енергію тіла, яке поглинає променистий потік.

Променистий теплообмін має місце між всіма тілами та є єдино можливим способом переносу теплоти в вакуумі.

2 Потік випромінювання – це кількість променистої енергії, яка переноситься в оди-ницю часу через довільну поверхню. Позначення потоку випромінювання таке ж, як і теплового потоку, який переноситься іншими способами, - , а вимірюється в .

Щільністю потоку випромінювання називається потік випромінювання, який проходить через одиницю поверхні по всіх можливих напрямках в межах напівсферич-ного тілесного кута:

, (1.14)

3 Випромінювальна здатність визначається природою даного тіла і його температу-рою. Це – власне випромінювання тіла. Тверді тіла володіють переважно суцільним спектром випромінювання: вони здатні випромінювати хвилі всіх довжин за будь–якої температури ( ). Однак інтенсивність теплового випромінювання зростає з підвищенням температури тіла, і за високих температур (наближено за ) про-меневий теплообмін (між твердими тілами і газами) набуває домінуючого значення. Оскільки світло і теплове випромінювання мають однакову природу, між ними багато спільного: променева енергія поширюється в однорідному та ізотропному середовищі прямолінійно.

При попаданні потоку випромінювання на тіло в загальному випадку він ділить-ся на три частини: ту, що поглинається, відбивається і пропускається тілом.

Якщо щільність потоку випромінювання, яке падає на тіло, дорівнює , то тоді можна записати рівняння теплового балансу:

, (1.15)

Якщо розділити написаний вираз на величину , отримують:

. (1.16)

Величина називається поглинальною здібністю тіла (або коефіцієнтом поглинання), - відбивною здібністю (або коефіцієнтом відбивання), - пропускною здібністю (або коефіцієнтом пропускання).

Якщо , , то тіло називають абсолютно чорним (поглинає всі падаю-чі на нього промені). Тіла, для яких і не залежить від довжини хвилі падаючих променів, називають сірими.

Тіло, яке відбиває всі падаючі на нього промені, називають абсолютно білим. Для цього тіла , а .

Тіло, яке пропускає всі падаючі на нього промені, називається абсолютно прозорим, або діатермічним. Для нього , а . Здебільшого тверді тіла належать до непрозорих, проте майже всі гази, за винятком багатоатомних газів, є прозорими, або діатермічними.