Излучательная способность паров и реальных газов

Газы, как и твердые тела, обладают способностью излучать и поглощать лучистую энергию, однако для различных газов эта способность неодинакова. Одно- и двухатомные газы (кислород, водород, азот и др.) для тепловых лучей прак­тически прозрачны (диаметричны). Значительной излуча-тельной и поглощательной способностью обладают трех- и многоатомные газы, например углекислота (СО ), водяной пар (Н О), сернистый ангидрид (SO ), аммиак (NH ) и др. По сравнению с твердыми телами излучение и поглощение газов имеют ряд особенностей.

Излучение и поглощение газов носит характер избира­тельного (селективного) излучения, т.е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн - так называемых полосах, расположенных в различных частях спектра, в то время как твердые тела в большинстве случаев излучают и поглощают лучистую энергию длин волн от 0 до . Например, для углекислоты и водяного пара наибо­лее важное значение имеют следующие полосы:

Твердые тела для тепловых лучей непрозрачны, поэтому можно считать, что излучение и поглощение лучистой энергии происходит в поверхностном слое.

Излучение и поглощение газов носит объемный характер, так как в них участвуют все микрочастицы газа, заключенные в рассматриваемом объеме. При прохождении тепловых лучей через газ их энергия вследствие поглощения уменьшается. Количество поглощенной энергии зависит от встречаемых теп­ловым лучом молекул газа, т.е. определяется длиной пути луча l и давлением газа р. Поэтому поглощательная способность газа A для какой-либо длины волны является функцией произведения pl . Кроме того, поглощательная способность газа зависит от его температуры Т . Поэтому можно записать:

Согласно закону Кирхгофа тела, поглощающие лучистую энергию, обладают способностью ее излучать. Наличие излу­чения газа доказывается следующим образом.

Пусть имеется некоторое полое тело с одинаковой темпе­ратурой по всей внутренней поверхности. В отношении лучистого обмена внутренняя поверхность такого тела будет находиться в состоянии динамического равновесия: каждый его элемент излучает столько энергии, сколько сам получает от остальной части поверхности.

Если заполнить это полое тело газом, температура которого равна температуре газа, то каждый элемент поверхности будет излучать такое же количество энергии, как и раньше, но от остальной части поверхности сам он будет получать меньше,так как часть этой энергии поглощается газом. Так как темпе­ратура газа равна температуре стенок, т.е. соблюдается тепловое равновесие газа и стенок, недостающая энергия может быть получена только за счет собственного излучения. Поэтому можно считать, что энергия излучаемая равна энер­гии, поглощаемой газом. Известно, что при полосовых спект­рах излучения, которые характерны для газов, закон Стефа­на - Больцмана неприменим. Например, согласно опытным данным для углекислого газа и водяного пара излучательная способность может быть определена по формулам

Иначе говоря, каждый газ имеет свой собственный закон излучения, что, естественно, затрудняет теплотехнические расчеты. Поэтому в основу практических расчетов по излуче­нию положен все же закон 4-й степени абсолютной темпера­туры — закон Стефана — Больцмана:

где Е - количество энергии излучения газа в единицу времени; - степень черноты газа.

Учитывая, что степень черноты представляет собой отно­шение излучательных способностей рассматриваемого и абсо­лютно черного тел, из уравнений (2.135), (2.137) можно сделать вывод, что =f(T, pl). В качестве примера на рис. 2.13 приведены значения этой функции для углекислоты.

Для смеси газов степень черноты не равна сумме степеней черноты компонентов, а определяется, например, для смеси двух газов: = + - . Это обстоятельство обусловлено тем, что полосы излучения и поглощения для компонентов частично совпадают, что предопределяет взаимное поглощение энергии компонентов.

Формулой (2.137) определяется количество энергии, излу­чаемой газом в пустоту, которую можно рассматривать как абсолютно черное пространство при Т = 0 К. В действи­тельности газ всегда огражден твердой поверхностью (оболоч­кой), температура которой выше 0 К, а степень черноты меньше 1. Такая поверхность имеет собственное излучение, которое частично поглощается газом, а частично - отражает. Результирующий тепловой поток при теплообмене излучением между газом и оболочкой определится разностью между тепловым потоком, излучаемым газом на оболочку, и частью излучения оболочки, которая поглощается газом. Так как газ поглощается селективно, то степень черноты газа и его поглощательная способность А не равны между собой, как у твердых тел.

Кроме того, при наличии излучающего газа эффективная степень черноты оболочки больше степени черноты оболочки в диатермической среде и приближенно может быть вычислена по формуле = ( + 1)/2. Окон­чательно расчетная формула теплообмена между газом и оболочкой имеет вид

Формула справедлива для лучистого теплообмена, когда длина пути луча l в любом направлении одна и та же, т.е. для полусферы. В газовых телах другой формы длина пути в разных направлениях различна. В этом случае при использо­вании графика рис. 2.13 вводится понятие средней длины пути луча, которая определяется из следующего соотношения:

где V - объем газа, м³; F - поверхность его оболочки, м² .

ПРИЛОЖЕНИЕ