21

ТМО-11 ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

11.1 Природа теплового излучения

Перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией определяется вектором, который вполне характеризуется в каждой точке рассматриваемой термодинамической системы локальным градиентом температуры.

При тепловом излучении - лучистый поток в произвольном (относительно малом) объеме прозрачной среды не зависит от температуры этого объема (а, следовательно, от разности температуры среды и излучающего тела), а определяется излучением внешних источников. Поэтому вектор теплового излучения определяется интегрально.

Природа всех лучей, в том числе и тепловых, одна и та же – они представляют из себя распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны.

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, которая в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов трансформируется в энергию теплового излучения с поверхности этих тел.

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных волн, который характеризуется спектром частот и соответствует энергетическому уровню структурных частиц вещества.

Интегральное тепловое излучение тела тем выше, чем выше его температура.

Интегральное тепловое излучение тел, находящихся при одинаковой температуре, определяется их атомной и молекулярной структурой, а также формой и состоянием поверхности, т.е. физическими свойствами тел.

Носителями энергии излучения (в т.ч. и теплового) являются электромагнитные волны, которые распространяются в однородной изотропной среде или в вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики.

Основными характеристиками электромагнитных волн являются: длина волны (λ) и частота колебаний в секунду (N). Для лучей абсолютно всех видов (в том числе и тепловых) скорость распространения в абсолютном вакууме равна:

с = λ·N (11.1)

с = 300000 км/сек, скорость света

Энергия одного кванта излучения (принцип квантовой энергии):

ε_к = h·N, (11.2)

h = 6,62517·10^-34 Дж/с – постоянная Планка (так называемое элементарное действие).

Тепловое излучение – это колебательный процесс, происходящий в постоянно меняющихся плоскостях, перпендикулярных направлению излучения.

Если удается выделить плоскость с наибольшей энергией колебаний, то такое тепловое излучение называется поляризованным, (например излучение блестящих металлических поверхностей).

Обычно при тепловом излучении невозможно выделить плоскость преимущественного направления колебаний, поэтому тепловое излучение принято считать неполяризованным.

В настоящее время принято считать, что тепловое излучение занимает широкую область длин волн: λ = 0,72 ÷ 1000 мк, расположенную между красной границей видимого спектра и коротковолновой частью спектра миллиметрового диапазона электромагнитных волн. Для передачи теплоты наибольший интерес представляют лучи с длиной волны λ = 0,8 ÷ 40 мк.

В таблице 11.1 представлена условная разбивка инфракрасного спектра на 3 области. В последнем столбце таблицы приведены в соответствии с интервалом длин волн диапазоны температур АЧТ, имеющего максимальную интенсивность излучения при указанной длине волны.

Таблица 1.11 – Диапазоны волн теплового излучения

Наименование излучения	Длина волн, мк	Температура АЧТ, К
Видимый свет	0,3 – 0,72	– 4144
Близкое инфракрасное излучение	0,72 – 1,5	4144 – 1922
Среднее инфракрасное излучение	1,5 – 5,6	1922 – 533
Далекое инфракрасное излучение	5,6 – 8 – 1000	533 – 273
Миллиметровые волны	1000 и выше

При одинаковых или различных температурах тел, отличных от 0^оК, расположенных как угодно в пространстве, между ними имеет место непрерывный теплообмен излучением.

При температурном равновесии тел количество отдаваемой энергии излучения равно количеству поглощаемой энергии излучения.

Большинство твердых и жидких тел имеют непрерывный спектр излучения, т.е. и испускают лучи всех длин волн.

Газы испускают лучи не всех длин волн, такое излучение называют избирательным или селективным. Спектр излучения газов имеет линейчатый характер.

Учеными доказано, что в излучении твердого тела участвуют не только поверхностные его частицы, а тонкий слой определенной толщины, хотя и весьма тонкий.

Суммарное излучение с поверхности твердого тела по всем направлениям полусферического пространства (в пределах телесного угла Ω =2π) и всех длин волн спектра называется интегральным излучением Q.

1) Если теплообмен излучением рассматривается в пределах телесного угла Ω =2π, вводится понятие плотности полусферического или поверхностного интегрального излучения:

E = dQ/dF, Вт/м², (11.3)

где dQ – элементарный поток излучения, Вт;

dF – элемент поверхности, с которой происходит излучение, м².

2) Если речь идет об объемном тепловом излучении (газы или точечный источник излучения), то говорят о плотности объемного интегрального излучения – лучистом потоке, испускаемом единицей объема среды в пределах телесного угла Ω =4π:

, Вт/м³. (11.4)

Каждое тело способно излучать, поглощать, отражать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела:

Q = Q_A + Q_R + Q_D, (11.5)

Q – общее количество энергии излучения, падающей на тело, Вт;

Q_A – количество энергии излучения, поглощенное телом, Вт;

Q_R – количество энергии излучения, отраженное телом, Вт;

Q_D – количество энергии излучения, прошедшее сквозь тело, Вт;

Разделив все члены уравнения (11.5) на Q:

1 = А + R + D, (11.6)

A – поглощательная способность тела (коэффициент поглощения);

R – отражательная способность тела (коэффициент отражения);

D – пропускательная способность тела (коэффициент пропускания);

Большинство твердых тел практически не пропускают сквозь себя энергию излучения, т.е. D = 0, следовательно, для твердых тел:

A + R =1.

Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т.е. А = 1, тогда R = 0 и D = 0 и такую поверхность называют абсолютно черной.

Если поверхность полностью отражает все падающие на нее лучи R = 1, а А = 0 и D = 0, то такую поверхность называют абсолютно белой.

Если D = 1, а А = 0 и R = 0, то такое тело называют абсолютно прозрачным для тепловых лучей.

В природе не существует абсолютно черных, белых или прозрачных тел, однако понятие о них является очень важным для сравнения с реальными поверхностями.

Например: кварц – непрозрачен для тепловых лучей, а для световых и ультрафиолетовых – прозрачен.

Оконное стекло – прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых – почти непрозрачно.

Каменная соль прозрачна для тепловых, и не прозрачна для ультрафиолетовых лучей. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо отражает только лучи видимой части спектра, а тепловые лучи поглощает также хорошо, как и темная.

Свойства тел поглощать или отражать тепловые лучи зависят в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Если поверхность правильно отражает лучи (т.е. отражение следует законам геометрической оптики), то такую поверхность называют зеркальной.

Если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по различным направлениям, то такое отражение называется диффузным (поверхность мела).

При изучении теплообмена излучением большое значение имеет распределение энергии излучения по отдельным длинам волн спектра.

Распределение энергии по длинам волн и частотам в спектре излучающего тела связано с:

- температурным уровнем тела;

- физической структурой тела.

Существует некоторое распределение энергии по длинам волн и частотам, соответствующее максимально возможному тепловому излучению тела при заданной температуре.

Тело, обладающее таким максимальным спектром излучения наз. АЧТ.

Как было отмечено для АЧТ А =1, т.е. абсолютно черное тело поглощает полностью любое падающее на него излучение.

Свойства реальных тел в большей или меньшей степени отклоняются от свойств АЧТ.

Распределение энергии излучения АЧТ соответствует условиям термодинамического равновесия и однозначно определяется лишь его температурой. Поэтому излучение АЧТ иногда называют равновесным излучением.

АЧТ имеет максимум излучения при определенной длине волны и соответствующий (длинам волн) диапазон температур (см. табл.).

Таким образом, каждой длине волны лучей при определенной температуре соответствует определенная интенсивность излучения.