Лучистый теплообмен основные понятия и определения Плотность потока излучения
Лучистый теплообмен Основные понятия и определения Излучение представляет собой процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн, возбудителями которых являются заряженные элементарные частицы, входящие в состав вещества. Энергия излучения - это энергия фотонов или электромагнитных волн, излучаемых телом (или средой). Излучение обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, которые не проявляются одновременно. Волновыми свойствами объясняется процесс распространения излучения в пространстве, корпускулярными — явления испускания, поглощения и отражения. Эти свойства описываются уравнениями электродинамики и квантовой механики. Излучение характеризуется длиной волны или частотой v. Большая часть твердых и жидких тел (за исключением полированных металлов) излучает энергию во всем диапазоне длин волн. С энергетической точки зрения наиболее важная роль в лучистом теплообмене при умеренных температурах принадлежит инфракрасному излучению. Оно имеет одинаковую природу с другими видами излучения и соответствует диапазону длин волн 0,8-1(Г6<Х,< < 0,8-10" 3 м. Количество энергии, излучаемое телами, резко возрастает с повышением температуры, поэтому роль лучистого теплообмена особенно велика в процессах, протекающих при высоких температурах. Тепловое излучение определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. Между процессами теплопроводности и конвекции, рассмотренными выше, и лучистым теплообменом существует принципиальное различие. Теплообмен пугем теплопроводности и конвекции связан с температурным полем в геле или среде. В процессах лучистого теплообмена наличие сплошной среды не обязательно. Электромагнитные волны, попадая на окружающие тела, частично поглощаются ими. При этом энергия излучения переходит во внутреннюю энергию поглощающего тела. Доля энергии А электромагнитных волн, поглощенная телом, называется поглощательной способное! ью 1ела, доля отраженной энергии R — отражательной способностью и доля энергии О, проходящая сквозь тело,— пропускательной способностью. В соответствии с законом сохранения энергии . Тела, для которых называются абсолютно черными. В случае тела называются абсолютно проницаемыми или диатермичными (прозрачными). Можно считать, что для большей части твердых тел .' Излучение абсолютно черною тела Плотность потока излучения Е является интефальной характеристикой, о i носящейся ко всему диапазону длин волн. Спектральная ока излучения характеризует распределение энергии излучения по длинам волн. Для абсолютно черного тела зависимость ?,0 от длины волны и температуры устанавливается законом Планка Плотность потока излучения - количество энергии излучения, проходящее в единицу времени через единицу площади поверхности в пределах полусферического телесного угла. Спектральная плотность потока излучения — отношение плотносги потока излучения, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала. — абсолютная температура излучающего тела; — показатель преломления среды, окружающей тело, в дальнейшем будем считать для газов в вакууме . Индексом 0 отмечены величины, относящиеся к абсолютно черному телу. Максимум зависимостей по мере повышения температуры смещается в сторону более коротких длин волн (рис. 2.20). Исследование функции на экстремум приводит к зависимости называемой законом смещения Вина. Закон Стефана — Больцмана выводится интегрированием по длинам волн где — по- стоянная Стефана-Больцман а. Законы справедливы только для абсолютно черного тела. Реальные тела не являю гея абсолютно черными, однако многие из них можно приближенно считать серыми телами, спектр излучения которых непрерывен и подобен спектру излучения абсолютно черного тела. Для серых тел Степень черноты тела определяется опытным путем и зависит от природы тела, его температуры и состояния поверхности . Зависимость между плотностью потока Е излучения и поглощательной Зависимость спектральной плотности потока излучении от линзы волны при различных температурах способностью А тела устанавливается законом Кирхгофа. Для определения этой зависимости рассмотрим сисгему двух тел, имеющих неограниченные плоские поверхности, обращенные друг к другу, причем поверхность / принадлежит серому, а поверхность 2 — абсолютно черному телу. Плотность потока эффективного (полного) излучения серого тела где плотности потока соответственно собственного и отраженного излучения. Для абсолютно черного тела . В условиях термодинамического равновесия ^ следовательно, Закон Кирхгофа Плотность потока излучения абсолютно черного Закон Стефана — Больцмана: плотность потока излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Степень черноты тела - отношение плотностей потока излучения серого тела и абсолютно черного тела при той же температуре. Закон Кирхгофа: отношение плотности потока излучения серого тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно плотности потока излучения абсолютно черного тела при той же температуре. гела ?<> зависит только от температуры. Так как для серых тел . всегда Из закона Кирхгофа следует, что е = А. Поскольку для твердых непрозрачных тел тела, хорошо отражающие лучистую энергию, слабо ее поглощают и излучают. Для тел, не являющихся серыми, закон Кирхгофа выполняется только при сопоставлении спектральных характеристик. Распределение энергии излучения, испускаемой абсолютно черным телом, по отдельным направлениям неодинаково и определяется законом косинусов Ламберта в виде где Е„о — плотность потока излучения, соответствующая углу ф; dCl — элементарный телесный угол, под которым из данной точки излучающего тела видна элементарная площадка на поверхности полусферы, имеющей центр в этой точке; ф — угол между нормалью к излучающей поверхности и направлением излучения. Наибольшее значение Е^о соответствует направлению нормали к поверхности (ф = 0). Для реальных тел закон Ламберта выполняется лишь приближенно.