Часть 2. Теплопередача

3. Теплообмен излучением

2. Основные понятия теплообмена излучением

Все тела при любой температуре излучают и поглощают энергию излучения, но количество этой энергии становится существенным только при высокой температуре или в условиях, когда перенос теплоты другими способами затруднён (при свободной конвекции, особенно в разреженном газе).

Часть потока излучения Q, в общем случае, поглощается телом в количестве , часть отражается от него, а часть проходит сквозь тело. Поэтому справедливо соотношение:

или

, (3.1)

где - поглощательная способность тела; - отражательная способность тела; - пропускательная способность тела.

Тело, поглощающее всю падающуюю на него энергию излучения, называется абсолютно чёрным ( ). Для реальных тел .

Тело, отражающее всю падающую на него энергию излучения, называется абсолютно белым ( ). Если отражение имет правильный характер (угол падения равен углу отражения), то тело называется зеркальным. Для реальных тел .

Большинство твердых и жидких тел не пропускает энергию излучения. Их называют непрозрачными. Поглощение энергии излучения в них происходит в тонком поверхностном слое. Для металлов слой имеет толщину мкм, для неметаллов – около 1 мм. Для этих тел формула (3.1) примет вид:

. (3.2)

Тела, пропускающие всю падающую на них энергию излучения, называются диатермичными ( ). Наибольшей пропускатель-ной способностью обладают газы.

В полупрозрачных средах (телах) поглощение энергии излучения имеет объёмный характер. К полупрозрачным средам относятся газ, пар, дисперсные системы, состоящие из газообразной среды с распределенными в ней жидкими или твердыми частицами, а также некоторые жидкие и твердые тела (например, стекло).

Поглощательная и отражательная способность твердых тел зависит не только от природы тела, состояния его поверхности и её температуры, но и от распределения падающего излучения по длинам волн, тоесть от природы и температуры излучающего тела.

Для спектральног (монохроматического) излучения, то есть для излучения с определенной длиной волны, уравнение (3.1) имеет вид:

. (3.3)

Для одного и того же тела при различных длинах волн величины могут иметь существенно различные значения. Так обычное стекло хорошо пропускает световые лучи ( мкм), но почти не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Процессы излучения также могут иметь поверхностный или объёмный характер.

Для непрозрачных тел процесс превращения внутренней энергии в энергию излучения происходит во всём объёме такого тела. Но энергия излучения частиц, расположенных далеко от поверхности тела, поглощается самим телом, а в окружающую среду попадает только энергия, испускаемая тонким поверхностным слоем. Поэтому излучение непрозрачных тел имеет поверхностный характер.

В полупрозрачных телах в создании потока излучения участвует каждая частица вещества. В них излучение носит объёмный характер.

Излучение непрозрачных тел оценивается поверхностной плотностью потока излучения E, где .

Плотность потока излучения учитывает излучение во всех направлениях и при всех длинах волн ( ). В диапазоне длин волн от до ( ) во всех направлениях излучается энергия . Отношение характеризует энергию электромагнитных волн с длиной волны и называется спектральной плотностью потока излучения. Она имеет размерность - .

Способность тела излучать энергию характеризует спектральная степень черноты тела:

, (3.5)

а также степень черноты тела:

. (3.6)

Таким образом, степень черноты тела – это отношение излучательной способности реального тела к излучательной способности абсолютно чёрного тела.

Если величина имеет одинаковое значение для всех длин волн и температур, то тело называется серым.

Величины Е и могут быть определены по формулам:

. (3.7)

Из формулы (3.5) с учётом соотношений (3.6) и (3.7) определим при (для серого тела):

. (3.8)

Для реальных тел величина не одинакова при различных длинах волн. Поэтому равенство (3.8) для них не выполняется.

Степень черноты зависит от природы тела, температуры, шероховатости поверхности, а для металлов – ещё от окисления поверхности. Для диэлектриков при t=20⁰C величина >0,8 и уменьшается с ростом температуры. Для металлов при t=20⁰C величина =0,050,45 и увеличивается с ростом температуры до =0,70,8. Появление оксидной плёнки на повехности металла приводит к увеличению её степени черноты.