34. Теплообмен излучением. Основные законы.

Любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, передает тепло излучением, т.е. существует поток тепла, передаваемый излучением от тел более нагретых к телам менее нагретым, и обратный поток энергии от тел менее нагретых к телам более нагретым. Баланс такого обмена и представляет собой количество тепла, передаваемой излучением. Теплообмен излучением связан с двойным превращением: внутренняя энергия тела порождает поток электромагнитных колебаний (лучистой энергии), в свою очередь, поток энергии электромагнитных колебаний при поглощении их другим телом вновь превращается во внутреннюю энергию. Электромагнитные колебания возникают вследствие сложных внутриатомных и молекулярных процессов.

Количество излучаемой энергии увеличивается с ростом температуры тела, а в газах- с увеличением толщины слоя и давления газа. Для твердых и жидких тел характерно излучение и поглощение лучистой энергии тонким поверхностным слоем. В газах излучение и поглощение энергии происходит всем объемом.

Количество энергии, излучаемое поверхностью тела во всем интервале длин волн (от λ=О до λ=∞) в единицу времени, называется полным (интегральным) лучистым потоком Q (Вт). Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим. Количество энергии, интегрального излучения с поверхности тела dF в единицу времени, называется лучистым потоком dQ (Вт). Лучистый поток, исходящий с единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям полупространства называется плотностью интегрального излучения E (Вт/м²)

(1)

Из уравнения (1) следует, что лучистый поток, исходящий со всей поверхности излучающего тела равен

(1.185)

Плотность интегрального излучения, отнесенная к рассматриваемому диапазону длин волн, называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м³)

(1.186)

Лучистый поток, падающий на тело Q, частично им поглощается Q_A, частично отражается Q_R, частично проходит сквозь тело Q_D

Q = Q_A + Q_R + Q_D. (1.187)

Разделив обе части равенства на Q и обозначив Q_A/Q=A; Q_R/Q=R, получим:

1 = A+R+D. (1.188)

Коэффициенты А, R, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускную (прозрачность) способности тела. В связи с этим они именуются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Эти коэффициенты для различных тел могут меняться от 0 до 1.

Тела, которые всю падающую на них лучистую энергию поглощают, Q_A=Q и А=l (R=D=01), называются абсолютно черными. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию отражает, Q_R=Q; R=1 (А=D =О), называют абсолютно белым или зеркальным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию пропускает, Q_D=Q; D=1 (А=R=О), называют абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

1. Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения

абсолютно черного тела E_0λ от длины волны λ и абсолютной температуры

(1.189

где с₁ = 3,7·10^-16 (Вт·м²) - постоянная ; с₂ = 0,0144 (м·К) - постоянная; е – основание натурального логарифма.

2. Закон смещения Вина гласит – длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (E_0λ=max), обратно пропорциональна абсолютной температуре

(1.190)

3. 3акон Стефана - Больцмана формулируется следующим образом: плотность суммарного излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени

(1.191)

где σ₀, c₀ – коэффициенты пропорциональности (постоянные излучения); σ₀ = 5,67·10^-8 Вт/( м² ·K⁴); c₀ = 5,67 Вт/(м² ·K⁴).

4. 3акон Кирхгофа формулируется так: отношение плотности полусферического интегрального излучения к поглощательной способности одинаково для всех тел имеющих одинаковую температуру и равно плотности интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела при той же температуре, т. е.

Е₁/А₁= Е₂/А₂=…=Е_n/А_n =Е₀ =f(T) (1.194)