ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Тепловое излучение представляет собой процесс распрост­ранения внутренней энергии

Тепловое излучение представляет собой процесс распрост­ранения внутренней энергии нагретого тела путем электро­магнитных волн. Возбудителями этих волн являются электри­чески заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. Помимо волновых свойств излучение обладает также корпускулярными свойствами. Кор­пускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия излучается и поглощается веществом не непрерывно в виде бесконечной электромагнитной волны, а в виде определенныхпорций, так называемых квантов энергии излучения. По совре­менным представлениям, носителями этих порций (квантов) электромагнитной энергии являются элементарные частицы излучения - фотоны, обладающие энергией, количеством движения и электромагнитной массой.

Таким образом, излучение обладает волновой корпус­кулярной (квантовой) природой. Согласно этому энергия и импульсы сосредоточиваются в фотонах, а вероятность нахож­дения их в том или ином месте пространства - в волнах. В соответствии с этим излучение характеризуется длиной волны ( λ ) или частотой колебаний ( ). Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу и отличаются лишь длиной волны, в зависимости от которой различают излучение космическое, - излучение, рентгеновс­кое, ультрафиолетовое, видимое (световые лучи), инфракрас­ное и т.д.

Для теплообмена имеет значение излучение, энергия которого при поглощении его веществом превращается в тепловую и наоборот. В наибольшей степени такими свойст­вами обладает излучение с длиной волн от 0,4 до 800 мкм. Это излучение называют тепловым. Оно состоит из видимого (светового) излучения (от 0,4 до 0,8 мкм) и инфракрасного (от 0,8 до 800 мкм). В области температур до 2000 основную роль в теплообмене играет второе, т.е. инфракрасное излу­чение.

Тепловое излучение - сложный процесс, связанный с двой­ным преобразованием энергии: сначала происходит переход тепловой энергии в излучение электромагнитных волн (эмис­сия), затем движение волн (фотонов) и наконец поглощение электромагнитных колебаний поглощающей средой или телом (абсорбция) - еще одно преобразование энергии.

Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до ∞. К твердым телам, имеющим непре­рывный спектр излучения, относятся непроводники и полу­проводники электричества, металлы с окисленной шерохо­ватой поверхностью. Некоторые тела излучают энергию толь­ко в определенных интервалах длин волн, т.е. излучают энер­гию с прерывистым спектром. К ним относятся чистые метал­лы, газы и пары, которые характеризуются выборочным или спектральным излучением.

Виды лучистых потоков. Количество энергии, излучаемое поверхностью тела во всем интервале длин волн (от λ = 0 до λ = ∞) в единицу времени, называется интегральным (полным) потоком излучения Q (Вт). Излучение, соответст­вующее узкому интервалу длин волн, носит название монохроматического. Количество энергии, излучаемое едини­цей поверхности тела в единицу времени, называется излучательной способностью тела Е (Вт/м ) или плотностью интегрального излучения. Излучательная способность тела, отнесенная к определенной волне излучения, - это интенсив­ность излучения I(Вт/м ).

Лучистый ноток Q, падающий на тело, частично им поглощается Q , частично отражается Q , частично проходит сквозь тело Q , (рис. 2.6).

Количество лучистой энергии, падающей на данное тело,

Разделив обе части равенства Q и обозначив Q /Q = A, Q /q = R, Q /Q ⁼ D, получим

Коэффициенты A, R, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускную (прозрач­ность) способность тела. В связи с этим они именуются коэф­фициентами поглощения, отражения и пропускания, которые для различных тел могут изменяться от 0 до 1.

Если А = 1, то R = D =0; это означает, что вся падающая

лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными или просто черными.

Если R = 1, то A = D =0; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. При этом, если отражение правильное, то тела называются зеркаль­ными, если отражение диффузное, - абсолютно белыми.

Если D = 1, то А = R =0; это означает, что вся падающая энергия полностью проходит сквозь тело. Такие тела назы­ваются абсолютно прозрачными (проницаемыми) или диатер - мичными.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее понятие о них является очень важ­ным для сравнения с реальными поверхностями.

Если бы тело не испытывало излучения извне, то излу­чаемая телом энергия представляла бы так называемое собственное излучение Е . Однако практически всегда на рассматриваемое тело падает лучистая энергия E других тел. В этом случае, если тело частично отражает падающую на него лучистую энергию, то полное излучение тела, назы­ваемое эффективным излучением

(рис. 2.7), запишется так:

. (2.91)

Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры окружающих его тел. Кроме того, оно зависит от форм, размеров и относительного расположения тел в пространстве. Вследствие этих факторов физические свойства эффективного и собственного излучения различны.

Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения. Результирующее излучение

представляет собой разность между лучистым потоком, полу­чаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство (см. рис. 2.7), и определяется как

Результирующий поток излучения может быть величиной положительной, отрицательной и равной нулю (при равно­весном излучении).