Описание процесса и основные определения

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на другое тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Так осуществляется лучистый теплообмен между телами.

Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны λ и частотой колебаний , где с – скорость света (в вакууме с = 3 · 10⁸ м/с).

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный характер. При температурах, с какими обычно имеют дело в технике, основное количество энергии излучается при λ = 0,8 ÷ 80 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфра- красными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую – волны видимого (светового, 0,4 – 0,8 мкм) и ультрафиолетового излучения.

Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью по-тока интегрального излучения Е, Вт/м². Она определяется природой данного тела и его температурой. Это собственное излучение тела.

Часть энергии излучения Е_пад падающей на тело (рис. 11.1), поглощается (Е_А), часть отражается (E_R) и часть проникает сквозь него (E_D).

Таким образом,

Е_А + E_R + E_D = Е_пад.

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

A + R + D = 1.

Величина , называется коэффициентом поглощения,

- коэффициентом отражения,

- коэффициентом пропускания.

Тело, поглащающее все падающие на него излучения, называются абсо- лютно черным. Для этого тела А = 1. Тела, для которых коэффициент А<1 и не зависит от длины волны падающего излучения, называется серым. Для

абсолютно белого тела R = 1, для абсолютно прозрачного D = 1.

Рис. 11.1 Распределение энергии излучения, падающей на тело.

Если поверхность поглощает тепловые лучи, но не поглощает световые, она не кажется черной. Более того, наше зрение может воспринимать такую поверхность как белую, например, снег, для которого А = 0,98. Стекло, прозрачное в видимой части спектра, почти не прозрачно для тепловых лучей (А=0,94).

Твердые и жидкие тела в большинстве излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, т. е. имеют сплошной спектр излучения (хотя наибольшее количество энергии спускается в пределах длин волн от 0,8 до 80 мкм). Чистые (неокисленные) металлы и газы характеризуются выборочным - селективным излучением, т.е излучают энергию только определенных длин волн.

В большинстве твердых и жидких тел поглощение тепловых лучей завершается в тонком поверхностном слое, т.е. не зависит от толщины тела. Для этих тел тепловое излучение обычно рассматривается как поверхностное явление. В газе в силу значительно меньшей концентрации молекул процесс лучистого теплообмена носит объемный характер. Коэффициент поглощения газа зависит от размеров(«толщины») газового объема и давления газа, т.е. концентрации поглощающих молекул.

Сумма потоков собственного и отраженного телом излучения называется его эффективным излучением:

Е_ф = Е + RЕ_пад.

Суммарный процесс взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел называется лучистым теплообменом.

Из курса физики, известно что спектральная плотность потока излучения абсолютно черного тела

характеризующая интенсивность излучения на данной волне λ_i, имеет максимум при определенной длине волны λ_м. Величина λ_м (мкм) связана с абсолютной температурой Т тела законом Вина:

λ_м = 2,898/(10³Т).

Из выражения следует, что с ростом температуры максимум излучения смещается в сторону коротких волн. Так, в излучении с поверхности Солнца (Т ≈5800 К) максимум приходится на видимую часть спектра (λ_м ≈0,5 мкм), а в излучении электронагревателя (Т ≈ 1100К) λ_м = 3 мкм, причем в последнем случае энергия видимого (светового) излучения ничтожна в сравнении с энергией теплового (инфракрасного).

Поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от его температуры описывается законом Стефана -Больцмана

Е₀ = σ₀Т⁴.

Здесь σ₀ = 5,67 · 10^-8 Вт/(м² · К⁴) – постоянная Стефана – Больцмана. Для технических расчетов закон Стефана – Больцмана обычно записывается в виде

,

где C₀ = σ₀ · 10⁸ = 5,67 Вт/(м² ·К⁴) называется коэффициентом излучения абсолютно черного тела.

Тела, с которыми мы имеем дело на практике, излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излучение Е₀ абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

.

Степень черноты ε меняется для различных тел от нуля до единицы в зависимости от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степени черноты, можно записать закон Стефана – Больцмана для реального тела:

Здесь С = εС₀ – коэффициент излучения реального тела, Вт/(м² ·К⁴).

Согласно закону Кирхгофа степень черноты любого тела в состоянии термодинамического равновесия численно равна его коэффициенту поглощения при той же температуре, т.е. ε = А. В соответствии с этим законом отношение энергии излучения к коэффициенту поглощения (Е/А) не зависит от природы тела и равно энергии излучения Е₀ абсолютно черного тела при той же температуре. Чем больше коэффициент поглощения, тем больше и энергия излучения этого тела при заданной температуре. Если тело мало излучает, то оно мало и поглощает. Абсолютно белое тело не способно ни излучать, ни поглощать энергию.