Лекция 3. Теплообмен излучением

Основные понятия и законы теплового излучения

Основные понятия

Теплообмен излучением - сложный про­цесс, при котором внутренняя энергия излучающего тела пере­ходит в энергию электромагнитных волн, а затем в по­глощающем эти волны другом теле их энергия вновь превращается во внутреннюю энергию теплового движения микрочастиц.

Тепловое излучение делится на:

- инфракрасное (с длинами волн примерно от l = 1000 мкм до

l = 0, 74 мкм, причем практическое значение имеют лучи с длиной волны не более 40 мкм);

- видимое (с длинами волн l от 0, 74 мкм до 0, 4 мкм);

- ультрафиолетовое (с l от 0, 4 мкм до примерно 0, 01 мкм).

При температурах до 4000 - 4500 К основная доля энергии теплового излучения приходится на ин­фракрасную область и лишь при более высоких темпе­ратурах - также на видимую и на ультрафио­летовую.

Основными характеристиками теплового излучения являются его интенсивность и спектральный состав.

Потоком излучения Ф называется энергия, излучаемая какой-либо поверхностью в единицу времени.

Поток излучения Ф измеряется в Дж/с, т. е. в ваттах.

Плотностью потока излучения Е_Т называется количество энергии, излучаемой единицей поверхности в единицу времени во всем диапазоне длин волн (от l = 0 до l = ¥).

Плотность потока излучения измеряется в Вт/м² и характеризует интенсивность потока излучения. Она весьма сильно зависит от температуры тела, что подчеркивает индекс " Т ".

Спектральной плотностью потока излучения Е _{l Т} называется отношение плотности потока излучения в интервале длин волн от l до l+ d l к этому интервалу длин волн, т.е. .

Очевидно, что .

Монохроматическим называется излучение, испускаемое телом только в весьма узком диапазоне длин волн.

Собственным излучением называется излучение, испускаемое телом и зависящее только от его свойств и температуры.

Падающим называется излучение, получаемое телом от внешнего источника.

Рис. 3.1

Рассмотрим далее поток излучения Ф ₀, падающий на некоторое тело

(рис. 3.1). Часть этого потока Ф_А по­глощается телом, часть Ф_R отражается, а часть Ф_D пропус­кается. При этом отражение потока излучения может быть как зеркальным (происходящим по законам геометрической оптики), так и диффузным, ненаправленным. Доли, равные

, и ,

называются соответственно коэффициентами поглощения, отражения и пропускания.

Очевидно, что A + R + D = 1.

Определенные таким образом коэффициенты A, R и D относятся ко всему падающему излуче­нию. Для монохроматического излучения рассматриваются аналогичные коэффициенты, обозна­чаемые: A _l, R _l и D _l.

Все эти коэффициенты могу быть существенно различными у разных тел в зависимости от их природы, размеров (толщины), спектрального состава и направления падающего излучения и др. Рассмотрим предельные случаи.

Абсолютно черным называется тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию (A = 1).

Зеркальным называется тело, которое отражает все падающее на него излучение по законам геометрической оптики (R = 1).

Абсолютно белым называется тело, если отражение диффузное (R = 1).

Абсолютно прозрачным называется тело, которое пропускает всю падающую на него лучистую энергию (D = 1).

В окружающей нас на Земле природе нет абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел. Реальные тела при определенных условиях могут только приближаться к тому или иному предельному случаю. Наиболее близки к абсолютно черному телу сажа, бархат (А = 0, 97…0, 98). У большинства неметаллических твердых материалов при температурах, близких к комнатной, коэффициент поглощения более 0, 8, но он значительно уменьшается с ростом температуры. К абсолютно белому (точнее, зеркальному) телу близки (при невысоких температурах) полированные металлы (R > 0, 9).

Многие твердые и жидкие тела даже в сравнительно тонких слоях практически непрозрач­ны для теплового излучения . Вместе с тем имеются тела, которые непрозрач­ны лишь для определенных длин волн. Например, кварц непро­зрачен для инфракрасных лучей, но прозрачен для видимых (световых) и ультрафиолетовых. Обычное стекло пропускает ви­димые лучи, но почти непрозрачно для инфракрасных и ультра­фиолетовых.

Важно отметить, что цвет поверхности часто никак не связан с этими её характеристиками. Так, поверхность, выкрашенная белой краской, хорошо отража­ет видимые лучи. Инфракрасные же лучи такой поверхностью поглощаются так же интенсивно, как и черной. Другой пример: ослепительно белый снег поглощает инфракрасное излучение почти полностью.