Тема 12. Тепловое излучение. Основной закон теплового излучения

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения тепла в лучистую энергию и передачи ее в окружающее пространство.

При нагревании тел часть тепла в результате атомных возмущений неизбежно преобразуется в лучистую энергию. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны или в другом представлении фотоны (кванты энергии). Скорость перемещения этих носителей в ва­кууме составляет около 300· 10⁶ м/сек. Результирующий тепловой поток от излучающей среды с абсолютной температурой Т°_окр, К к поверхности, средняя абсолютная температура которой равна Т_с определяется по формуле, построенной нa законе Стефана-Больцмана:

(32)

где ₀—коэффициент излучения, вт/ (м² К⁴);

_пр — приведенная степень черноты, зависящая от свойств излучаю­щей среды и поверхности и выраженная в долях от степени черноты абсолютно-черного тела, принимаемой за единицу.

Тепловое излучение различных тел определяется их тепловым состоя­нием, а также природными свойствами. Температура резко влияет на лучеиспускательную способность тел, т. е. на количество энергии, излу­чаемой единицей поверхности тела за единицу времени. Тело, обладаю­щее при данной температуре наибольшей излучательной способностью, называется абсолютно черным телом. Таких тел в природе не существует и все реальные тела излучают при одной и той же температуре только часть энергии абсолютно черного тела.

Лучистая энергия, излучаемая нагретым телом в пространство, падает на другие тела и в общем случае частично поглощается ими, ча­стично отражается и частью проходит сквозь тело. Отраженная телом и прошедшая сквозь него часть лучистой энергии рассеивается в окру­жающем пространстве. Таким образом, лучистый теплообмен, или пере­дача тепла лучеиспусканием от одних тел к другим, связан с двойным преобразованием энергии: теплоты —в лучистую энергию и обратно — лучистой энергии в теплоту. Лучеиспускают не только горячие твердые тела, но и трехатомные и многоатомные газы (углекислота, водяной пар и др.). В теплотехнике широко используются продукты сгорания или дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива. Тепло от этих га­зов передается поверхности нагрева не только конвекцией, но и лучеис­пусканием. В теплоэнергетических установках протекает сложный теп­лообмен всеми видами распространения тепла. В жидкостях конвекция сопровождает теплопроводность и совместный теплообмен называют конвективно-кондуктивным, в газах совместно протекает конвективно-радиационный теплообмен.

Лучистый теплообмен (теплообмен излучением, или радиацией) мо­жет происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Классическим примером этого явления служит излучение солнца на землю. Отсутствие непосредственного соприкосновения тел, участвующих в теплообмене, а также отсутствие теплоносителя в виде газа или жидкости является характерной особенностью лучистого тепло­обмена.

Тепловое излучение — результат внутриатомных процессов, обуслов­ленных влиянием температуры, почему излучение и называется также температурным. При нагреве тела тепловая энергия переходит в лучи­стую энергию. Если пропускать через нихромовую спираль электриче­ский ток, то спираль нагреется (электрическая энергия перейдет в теп­ловую) и будет лучеиспускать в пространство (тепловая энергия перей­дет в лучистую).

Лучеиспускание тела в пространство может быть равномерным или направленным. Лучистая энергия, падающая на тело в зависимости от его природных свойств, формы и состояния поверхности, в общем случае частью поглощается телом и переходит в тепловую энергию (а иногда в другие формы энергии), частью проходит сквозь него и частью отра­жается в окружающее пространство.

Согласно электромагнитной теории света, носителями лучистой -энергии являются электромагнитные волны, излучаемые телами. Эти волны в изотропной среде или вакууме распространяются прямолинейно со скоростью света, подчиняясь оптическим законам преломления, погло­щения и отражения. Колебания электромагнитных волн направлены перпендикулярно к пути луча. При взаимодействии с веществом носите­ли лучистой энергии проявляют себя как фотоны (кванты энергии), об­ладающие характером движущихся частиц.

В общем спектре участок видимого излучения мал по сравнению с участком теплового излучения, примыкающего к красной части види­мого спектра. Тепловые лучи называют также инфракрасными.

Контрольные вопросы:

1. Какова природа лучистой энергии и передачи теплоты излучением?

2. Сформулируйте основной закон теплового излучения.

3. Приведенная степень черноты, ее влияние на тепловое излучение.

4. Объясните природу теплового излучения?

5. Приведите примеры теплового излучения.

6. Что называется излучательностью?

7. Что называется лучистым потоком