Лучистый теплообмен

Лучистым теплообменом называется форма распространения между телами в пространстве внутренней энергии. При этом, как отмечалось выше, происходит двойное превращение внутренней энергии, внутренняя энергия тела превращается в лучистую и передается в пространстве путем электромагнитных волн (излучением), в свою очередь, поток энергии электромагнитных волн (лучистая энергия) при поглощении их другим телом вновь превращается во внутреннюю энергию.

Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные электроны и ионы. Колебания ионов соответствуют излучению низкой частоты. Излучение вызванное колебаниями электронов может имеет высокую частоту, если электроны входят в состав атомов и молекул. Излучение веществ со свободными электронами имеет импульсный характер с волнами разной частоты, в том числе с волнами низкой частоты.

На волновой характер излучения влияют корпускулярные свойства, которые заключаются в том, что лучистая энергия излучается материальными телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света, или фотонами.

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и отличаются только длиной волны.

Большая часть твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает энергию во всем диапазоне длин волн. Некоторые тела (чистые металлы, газы и др.) излучают энергию только в определенных интервалах длин волн. Такое излучение называется выборочным или селективным.

Количество излучаемой энергии увеличивается с ростом температуры тела, а в газах - с увеличением толщины слоя и давления газа. Для твердых и жидких тел характерно излучение и поглощение лучистой энергии тонким поверхностным слоем. В газах излучение и поглощение энергии происходит всем объемом.

Некоторые виды излучения обладают свойством превращаться в тепловую энергию при поглощении телами, вызывая нагревание. Это свойство излучения определяется длиной волны и, зависит от температуры тела. В наибольшей мере такими свойствами обладает видимое инфракрасное (тепловое) излучение с длиной волны от 0,8 до 800 мк.

Количество энергии, излучаемое поверхностью тела во всем интервале длин волн (о т λ=О до λ=∞) в единицу времени, называется полным (интегральным) лучистым потоком Q (Вт). Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим. Лучистый поток, исходящий с единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям полупространства называется плотностью интегрального излучения E (Вт/м²)

(157)

Из уравнения (157) следует, что лучистый поток, исходящий со всей поверхности излучающего тела равен

(158)

Плотность интегрального излучения, отнесенная к рассматриваемому диапазону длин волн, называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м³)

(159)

Рис. 16. Распределение лучистого потока падающего на тело

Лучистый поток, падающий на тело Q, частично им поглощается Q_A, частично отражается Q_R, частично проходит сквозь тело Q_D (рис. 16.)

Q = Q_A + Q_R + Q_D. (160)

Разделив обе части равенства на Q и обозначив Q_A/Q=A; Q_R/Q=R, получим:

1 = A+R+D. (161)

Коэффициенты А, R, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускную (прозрачность) способности тела. В связи с этим они именуются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Эти коэффициенты для различных тел могут меняться от 0 до 1.

Тела, которые всю падающую на них лучистую энергию поглощают, Q_A=Q и А=l (R=D=0), называются абсолютно черными. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию отражает, Q_R=Q; R=1 (А=D =О), называют абсолютно белым или зеркальным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию пропускает, Q_D=Q; D=1 (А=R=О), называют абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.