4.Теплообмен излучением

4.1. Общие положения лучистого теплообмена

4.1.1. Описание процесса

Процессы передачи теплоты можно разделить на две категории. Первая определяется тем, что структурные элементы среды, находящиеся на пути переноса теплоты, принимают участие в процессе переноса. Это уже рассмотренные ранее теплопроводность и конвекция. Вторая категория характерна тем, что среда может не принимать участия в переносе теплоты. Это тепловое излучение. Таким образом, между процессами теплопроводности и конвекции, с одной стороны и тепловым излучением - с другой, существует принципиальная разница.

Конвективный перенос теплоты и теплопроводность рассматривались при непрерывном температурном поле и в тех случаях, когда теплота переходит от твердого тела к жидкости и наоборот. Температурный градиент всегда имел конечное значение.

Тепловое излучение – сложный процесс, связанный с тем, что, по крайней мере, дважды происходит преобразование энергии: сначала 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.

Рис. 4.1. Схема переноса теплоты излучением

Тепловое излучение рассматривается как процесс распространения электромагнитных волн, испускаемых излучающим телом. Эти волны распространяются прямолинейно и при поглощении их каким-либо телом или средой вновь превращаются в теплоту.

Носители лучистой тепловой энергии – электромагнитные волны отличаются от соответствующих другим видам излучения волн (космические, - излучение, рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, световые лучи, электромагнитные волны) только длиной волны. Область теплового излучения в электромагнитном спектре охватывает диапазон λ =0,810^-3 – 0,8 мм.

Большинство твердых тел и жидкостей излучают энергию на всех длинах волн (от 0 до ∞), то есть такие тела имеют непрерывный спектр излучения.

Излучение, соответствующее всему спектру длин волн в пределах от нуля до бесконечности, называется интегральным излучением или просто излучением (от 0 до ∞).

Газы и пары характеризуются прерывистым (селективным) спектром излучения. Излучения соответствующие определенным интервалам дли волн в пределах от גmin до ג max ,называется избирательным или селективным.

Излучение в весьма узком интервале волн от  до (+d) при длине волны  называется спектральным.

В твердых и жидких непрозрачных телах в процессе теплообмена излучением участвует тонкий поверхностный слой (0,001-1 мм), поэтому тепловое излучение можно рассматривать как поверхностное явление.

Полупрозрачные тела (плавленый кварц, стекло, оптическая керамика и др.), а также газы и пары характеризуются объемным излучением, в котором участвуют все частицы вещества.

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры внутренняя энергия тела увеличивается и, как следствие, увеличивается энергия излучения. В процессе излучения зависимость от температуры большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Вследствие этого при высоких температурах основным видом переноса может быть тепловое излучение.

Тепловое излучение может быть диффузным и направленным. При диффузном излучении лучистая энергия излучается равномерно во всех направлениях.