Основні закони теплового випромінювання

Лекція №14 .ТЕПЛООБМІН ВИПРОМІНЮВАННЯМ

Теплове випромінювання э результат перетворення внутрішньої енергії тіл в енергію електромагнітних коливань. При попаданні теплових променів (хвиль) на інше тіло їх енергія частково поглинається ним, перетворюючись знову в внутрішню. Так відбувається променевий теплообмін між тілами.

Теплообмін випромінюванням відбувається безупинно між тілами, довільно розташованими в просторі. Теплове випромінювання властиво всім тілам: твердим, рідким і газоподібним, якщо їхня температура більше 0 С⁰.

Теплове випромінювання як процес поширення електромагнітних хвиль характеризується довжиною хвилі λ та частоти коливань ν=с/λ, де с – швидкість світла (в вакуумі с = 3 10⁸ м/с).

Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл безперервний. Ці тіла випускають промені, що розрізняються між собою довжиною хвилі λ, а отже, і своїми властивостями.

Розрізняють наступні види випромінювання: космічне, γ-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне й радіовипромінювання. У теплотехніку найбільший інтерес представляє теплове випромінювання при λ = 0,8 – 80 мкм. При температурах випромінюючого тіла до 1500° С таке випромінювання в основному інфрачервоне й частково видиме (світло λ = 0,4 – 0,8 мкм) .

Променистою енергією Q називають фізичну величину, яка дорівнює кількості випроміненої, перенесеної та сприйманої енергії випромінювання. Одиниця променистої енергії в СИ - джоуль (Дж), як й інших видів енергії.

Відношення променистої енергії за час випромінювання називають променистим потоком:

де Ф — променистий потік; Q — промениста енергія; t — час випромінювання. Якщо Q виражено в Дж, t — c, то Ф повинне бути виражене у ватах (Вт).

Тепловий потік, випромінений на всіх довжинах хвиль з одиниці поверхні тіла по всіх напрямках називається поверхневою густиною потоку інтегрального випромінювання Е, Вт/м.

Е = Ф/S.

Потік випромінювання залежить в основному від температури випромінюючого тіла, площі його поверхні й від її фізичних властивостей.

Променистий потік, що падає на яку-небудь поверхню реально існуючого тіла Е_пад(Рис.13.1), частково їм поглинається, частково відбивається й частково проходить крізь тіло.

Позначимо поглинену частину потоку випромінювання через E_A, відбиту від тіла

— через E_R і пропущену крізь тіло — через E_D.

Очевидно, що

E_A + E_R + E_D = E_пад, (14.1)

де Е_пад — променистий потік.

Розділивши обидві частини цієї рівності на E_пад, одержимо рівняння теплового балансу в безрозмірній формі: A + R + D = 1. (14.2)

Величина A = E_A/ E_пад називається коефіцієнт поглинання; R=E_R/ E_пад - коефіцієнт відбиття; D=E_D/ E_пад - коефіцієнт пропускання.

Якщо поверхня поглинає весь падаючий на неї потік випромінювання (А = 1; R = 0, D = 0), то вона називається абсолютно чорною. Якщо гладка поверхня відбиває весь падаючий на неї потік випромінювання (A = 0; R = 1; D = 0), причому під тим же кутом, під яким він падає на неї, то таку поверхню називають дзеркальною. Якщо ж поверхня поглинає теплові промені, але не поглинає світові то вона не кажеться чорною ( промінь, що падає на неї, розщеплюється при відбитті в різних напрямках). Більш того, наш зір може сприймати таку поверхню як білу (наприклад сніг для якого А=0,98). Така поверхня називається білої, а відбиття — дифузійним.

Якщо крізь тіло проходить весь падаючий на неї потік випромінювання, то таке тіло називається прозорим (A + R =О-, a D =1 )

У природі чорних, білих і прозорих тіл не існує; вони розглядаються як наукові абстракції, але деякі реальні тіла по своїх властивостях можуть більш-менш наближатися до цих абстракцій.

Все реально існуючі тіла називаються сірими. Для них А˂1 і він не залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання.

Більшість твердих і рідких (краплинних) тіл випромінюють хвилі всіх довжин від 0 до ∞, тобто мають суцільний спектр випромінювання. Гази можуть випромінювати енергію тільки в певних інтервалах довжин хвиль (смугах спектра), тобто мають лінійний спектр. Поза цими смугами гази прозорі для теплових променів, тобто не можуть випромінювати енергію. Це значить, що випромінювання чистих (не окислених) металів та газів носить виборчий (селективний) характер.

В більшості твердих та рідких тіл поглинання теплових променів відбувається в тонкому поверхневому шарі , тобто не залежить від товщини тіла. Для цих тіл теплове випромінювання в більшості випадків розглядається як поверхневе явище. В газах, в силу значно меншої концентрації молекул, процес променевого теплообміну носить об’ємний характер. Коефіцієнт поглинання газу завісить від розмірів газового об’єму та тиску, тобто концентрації поглинаючих молекул. Одно і двохатомні гази прозорі для теплових променів. Практичне значення мають непрозорі три - і багатоатомні гази, особливо вуглекислий газ і водяна пара, що є продуктами згоряння палива.

Сума потоків особистого та відбитого тілом випромінювання називається його ефективним випромінюванням:

Е_еф = Е + RЕ_пад (14.3)

Сумарний процес взаємного випускання, поглинання, відбиття та пропускання енергії випромінювання в системах тіл називається променевим теплообміном.

Варто мати на увазі, що енергія випромінювання, що випускає чорним тілом, розподіляється нерівномірно по окремих довжинах хвиль. Кожній довжині лучачи при певній температурі відповідає певна спектральна інтенсивність випромінювання J (к).

Із курсу фізики відомо, що спектральна густина потоку випромінювання абсолютно чорного тіла J₀= dE₀/dλ ( всі характеристики які повязані з абсолютно чорним тілом будемо позначати з індексом « нуль») , яка характеризує інтенсивність випромінювання на даній довжині хвилі λ_і має максимальне значення на конкретній довжині хвилі λ_м.

Залежність інтенсивність випромінювання чорного тіла від довжини хвилі вивчив в своїх досвідах Планк.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Зовнішнє середовище характеризується деякими істотними для організації параметрами.	\|	Закон Планка. Інтенсивність випромінювання чорного тіла й будь-якого реального тіла залежить від термодинамічної температури й довжини хвилі.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.