30

05-Теплообмен излучением

05-ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ.

1. Основные понятия передачи теплоты излучением.

Передача теплоты происходит в результате распространения электромагнитных колебаний, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в теплоту. Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, излучает электромагнитные колебания с различными длинами волн и частот, то есть его излучение характеризуется определенным спектром длин волн. Помимо волновых свойств, излучение обладает корпускулярными свойствами, состоящими в том, что излучение и поглощение энергии телами происходит отдельными порциями (квантами или фотонами), которые обладают энергией, количеством энергии массой. Поэтому процессы поглощения и излучения лучистой энергии описываются законами квантовой механики, а процессы распространения энергии законами волновой теории электромагнитных колебаний.

Носителем теплового излучения является ЭМ волны, которые распространяются в однородных изотропных средах и в вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики. ЭМ волны характеризуются длиной волны и частотой колебаний , которые связаны между собой соотношением:

=с

с – скорость света в вакууме с=2.997925 10⁸ м/с.

Энергия одного кванта: =h, где h=6.625196 10^-34 Джс – постоянная Планка.

Спектр излучение большинства твердых и жидких тел непрерывный и сплошной. Длина волны излучение от нуля до бесконечности. Спектр излучения газов дискретный. Так как газы излучают и поглощают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, то есть обладают селективным или выборочным свойством.

Теория теплообмена и излучения не рассматривает детальный механизм испускания и поглощения электромагнитного излучения веществом, то есть не рассматривает на микроскопическом уровне. Задача этой теории описать суммарное (результирующее), макроскопические эффекты этих процессов (давление и температура).

В теории лучистого теплообмена принимается, что процессы взаимодействия излучения с твердыми или жидкими телами сосредоточены на поверхности этих тел. Исключением являются газы, имеющую высокую прозрачность и обладающие поэтому объемным излучением. Для нас наибольший интерес представляют лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, то есть как тело взаимодействует с подающими на него лучами. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, имеющую длину волны 0.4 – 800 мкм. Такие лучи называют тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением (тепловой радиацией). Природа тепловых или световых лучей одна и та же. Разница между ними только в длине волн (_свет=0,4....0,8мкм, _тепл=0,8....800мкм). Законы распространения, отражения и преломления, установленные для световых лучей, справедливы и для тепловых. Поэтому при изучении сложных явлений теплового излучения проводят закономерную аналогию со световым излучением, которое лучше изучено, так как доступно непосредственному наблюдению. Тепловое излучение свойственно всем телам, так как каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела, эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Количество энергии, падающее на поверхность тела в единицу времени называется лучистым тепловым потоком (Q). Размерность Q = [Дж/с]=[Вт]. Лучистый поток, отнесенный к единице площади называется плотностью излучения или излучательной способностью.

Е=Q/F

Размерность Е=[Вт/м²]. Плотность излучения учитывает всю энергию, излучаемую единицей поверхности тела в пределах полусферы во всем диапазоне длин волн. Поэтому ее называют плотностью полусферического излучения.

Спектральной (монохроматической) интенсивностью излучения I называют энергию, излучаемую единицей поверхности тела в единицу времени в интервале волн d.

[Вт/м³]

Поэтому Е называют интегральной интенсивностью полусферического излучения.

Q₀ – общее количество лучистой энергии, падающее на тело со стороны других тел;

Q_R – отраженная телом часть энергии; Q_A – поглощенная часть энергии; Q_D – часть энергии, которая пройдет сквозь тело.

Q_A+Q_R+Q_D=Q_O

A+R+D=1

где, А – поглощательная способность тела; R – отражательная способность тела; D – пропускательная способность тела.

Если А=1, R=0, D=0, то тело поглощает всю падающую на него энергию (абсолютно черное тело). Если R=1, A=0, D=0,то: 1. Если отражение происходит по законам геометрической оптики, то тело называют зеркальным. 2. Если отражение диффузное (рассеянное), то тело называют абсолютно белым. Если D=1, A=0, R=0, то тело называют абсолютно прозрачным или диатермическим.

Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы поверхности тела отводится лучистый поток, равный E₁. Он полностью определяется температурой и физическими свойствами тела. Это собственное излучение тела или его излучательная способность.

Однако обычно на тело со стороны других тел падает лучистая энергия E₂ - падающее излучение.

A₁E₂- поглощенное излучение

(1-A₁)E₂- отраженное излучение.

Собственное излучение тела E₁ в сумме с отраженным называеют эффективным излучением тела.

E_эфф=Е₁+(1-А₁)Е₂

Это фактическое излучение тела, которое мы определяем при измерении приборами. E_эфф зависит от физических свойств и температуры не только данного тела, но и окружающих его тел, а также от их формы, размеров и относительного расположения в пространстве.

Результирующее излучение Е_рез представляет собой разность

Е_рез=Е₁ -А₁Е₂ и определяет поток энергии, который данное тело передает окружающим телам в процессе лучистого теплообмена.

Если Е_рез 0, то тело получает энергию. Е_рез0, то тело излучает энергию.