6. Теплообмен излучением.

Теплообменом посредством излучения (лучистым теплообменом) называется передача тепла, обусловленная превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом излучения и его поглощения веществом 1.

Все тела непрерывно излучают и поглощают лучистую энергию. При низких уровнях температур доля излучаемого тепла оказывается незначительной. С повышением температуры вещества доля лучистого теплообмена резко возрастает и часто превышает другие способы передачи тепла ( конвекцией или теплопроводностью). Особую роль лучистый теплообмен играет при снижении плотности передающей среды, и в вакууме остается единственным способом передачи тепла.

Тепловое излучение представляет собой перенос тепла с помощью электромагнитных волн. Особенность лучистого обмена является передача его не сплошным потоком, а порциями, квантами.

Передача тепла излучением описывается с помощью сложного математического аппарата. Для инженерных целей используют феноменологические упрощенные модели явлений в процессе лучистого обмена. Одно из упрощений заключается в использовании геометрических оптических моделей. Описываются раздельно процессы испускания и поглощения излучения. Распространение лучистой энергии происходит в пределах сферы или полусферы и условно выделяется телесный угол в интересующем нас направлении, называемом осью этого угла. В макроскопической постановке испускание и поглощение тепловых лучей выражают количественно с помощью с помощью коэффициентов излучения и поглощения, представляющих отношение теплового потока к поверхности излучения (поглощения) или к объему.

Тепловые лучи являются частным случаем электромагнитного излучения, что показано в таблице 1.2

При температурах до 4000К основная доля из общего количества лучистой энергии приходится на область инфракрасного и светового излучения. При температурах выше 6000К уже большая часть приходится на видимую и ультрафиолетовую части спектра. Таким образом, при повышении температур происходит увеличение интенсивности излучения и изменение его спектрального состава.

Реальные твердые тела в своем большинстве являются непрозрачными для тепловых лучей. Прием и передача лучистой энергии происходит в достаточно тонком слое и не затрагивает весь объем тела. Поэтому, весь процесс лучистого теплообмена описывается характеристиками и геометрией поверхности тел. Газы, особенно трех- и многоатомные, тонкие слои жидкости и тел следует рассматривать, как полупрозрачные. Они пропускают и поглощают лучистую энергию по всему объему. Среды, полностью пропускающие лучистую энергию, называют прозрачными или диатермичными.

Таблица 1.

Вид излучения	Длина волны, м
Космическое	Порядка 0,05·10-12
γ – излучение	0,5·10-12 – 0,1·10-12
Рентгеновское	10-12 - 20·10-9
Ультрафиолетовое	20· 10-9 – 0,4·10-6
Видимое	0,4·10-6 – 0,8·10-6
Тепловое (инфракрасное)	0,8·10-6 - 0,8·10-3
Радиоволны	0,2·10-3 - х·103

Основные понятия и определения.

Различают и н т е г р а л ь н о е и с п е к т р а л ь н о е (монохроматическое) излучения.

Интегральное излучение охватывает спектры излучения с длинами волн от 0 до бесконечности.

Спектральным (монохроматическим) называется излучение в узком диапазоне длин волн от  до +d. Все величины, описывающие спектральное излучение, относятся к единичному интервалу длин волн и обозначаются подстрочным индексом «».

Плотностью потока излучения Е называют полное количество лучистой энергии, излучаемой в полусферу за единицу времени единицей площади поверхности.

Полный поток излучения Q с поверхности площадью F может быть выражен через плотность потока излучения интегралом:

(6.1)

Следовательно,

(6.2)

и имеет размерность Вт/м². Распределение излучения по направлениям в пределах полусферы характеризуется величиной яркости.

Яркостью (или калорической яркостью) излучения В называется количество энергии, излучаемое в данном направлении через единицу площади проекции элементарной площадки на плоскость, перпендикулярную направлению излучения, за единицу времени в пределах единичного элементарного телесного угла (рис.42)

Рис. 6.1. К определению яркости излучения.

(6.3)

здесь dQ_φ - элементарный поток излучения в данном направлении, Вт;

- элементарный телесный угол, стерадиан (ср);

dF - элементарная площадка, м² ;

φ - угол между направлением излучения и нормалью к площадке dF

Размерность яркости излучения – Вт/(м²·ср)

Распределение излучения по длинам волн характеризуется величиной спектральной интенсивности излучения Е_ .

Спектральной интенсивностью излучения Е_ называется количество спектральной энергии, излучаемой единицей площади элементарной площадки за единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям полусферического пространства (рис.43).

Рис.6.2. К определению спектральной интенсивности

излучения .

(6.4)

где d - элементарный интервал длин волн.

Е_ зависит от длины волны, температуры, вида и состояния поверхности и имеет размерность Вт/м³ .

Связь между Е_ и Е можно записать в интегральной форме следующим образом:

(6.5)

т.е. плотность потока излучения Е выражается площадью под кривой Е_ в интервале длин волн от =0 до =  .

Распределение спектрального излучения по направлениям характеризуется величиной с п е к т р а л ь н о й я р к о с т и В_.

Спектральной яркостью излучения В_ называется количество спектральной энергии, излучаемое в данном направлении через единицу площади проекции элементарной площадки на плоскость, перпендикулярную направлению излучения, за единицу времени в пределах единичного элементарного телесного угла в единичном интервале длин волн:

(6.6)

Его размерность Вт/(м²·ср).

Связь между интегральной и спектральной яркостью излучения вытекает из определения (6.6):

(6.7)

Энергия теплового излучения, падающего на тело, может поглощаться, отражаться или пропускаться этими телами (рис.44).

Рис. 6.3. Распределение падающего излучения.

Е_пад = Е_погл + Е_отр + Е_проп.

Поглощательной способностью А называется отношение поглощенной телом лучистой энергии к падающей:

(6.8)

Отражательной способностью R называется отношение отраженной телом лучистой энергии к падающей:

(6.9)

Пропускательной способностью D называется отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии к падающей:

(6.10)

Очевидно, A + R + D = 1 (6.11)

В частных случаях один или два коэффициента в выражении (6.11) могут быть равны нулю.

Если D = 1, а A = R = 0, то такое тело называют абсолютно прозрачным (диатермичным);

если D = 0, а A + R = 1, то тело называют непрозрачным;

если A = 1, а R + D = 0, то тело называют абсолютно черным;

если R = 1, а A = D = 0, то тело называют абсолютно белым. Отражение может быть диффузным, когда яркость отраженного излучения во всех направлениях одинакова, или зеркальным, когда отражение излучения подчиняется законам геометрической оптики.

Абсолютно белых, абсолютно черных тел в природе не бывает. Однако понятия о таких телах оказываются весьма полезными при изучении законов лучистого теплообмена между реальными телами.

Особенно важное значение имеет понятие абсолютно черного тела, т.е. такое, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию. Из-за отсутствия отраженных лучей такие тела воспринимаются визуально как черные. Законы излучения абсолютно черных тел наиболее простые и являются базовыми для всех случаев теплового излучения.