7) Лучистый теплообмен

Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длинных волн от нуля до бесконечности, т.е. имеют сплошной спектр излучения.

Под действием возбуждения колебаний в малекулах и атомах ве­щества (тела) возникают электромагнитные колебании. Электромагнитные излучения находится в пределах: для рентгеновских лучсй 10^-6 …20*10 ^-3, Ультрофиалетовых -0,02...0,4; видимых (световых) -0, 4...0,8; тепловых (инфракрас­ных) — 0,8-...800; для радиоволн 700 мкм Х км.

Излучение волн любой длины всегда превращаются в тепловую энергию. Но для световых и инфрокрасных лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением или радиацией.

Всюду где в определенных условиях температура достигает порядка 600...700 °С и выше, превалирующим видом теплообмена является радиация. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучи­стая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивная передача тепло­ты радиацией в условиях вакуума или разрежения.

Поток излучения, соответствующий всему спектру, в пределах от нуля до бесконечности, называется инте­гральным, или полным лучистым потоком Q (Вт).

Падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следовательно: Е₀ = Е_от + Е_пог + Е_пр. Для количественной оценки каждой части лучистой энергии вводят следующие понятия.

1. Отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверхность, называют отражательной способностью тела R = Е_0Т/Е₀.

2. Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют­ поглощательной способностью тела А = Е_погг/Е_о.

3. Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энер­гии называют пропускательной способностью тела D = Е _пр/Е₀.

В соответствии с законом сохранения энергии: R+ А+ D= 1.

Если R = 1,то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и определяется законами геометрической оптики, тела называются зер­кальными. В случае диффузного отражения - абсолютно белыми.

Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излуче­ние поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными. Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия проходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичными.

Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зави­сят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафиолетовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Камен­ная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафио­летовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.

Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лу­чи, что используется для различных тел и сооружений. Тепловые же лучи невидимого инфракрасного излуче­ния воспринимают поверхность тел только по состоянию ее шерохова­тости и степени черноты.

Основные законы теплового излучения

1. Закон смещения Вина: с увеличением абсолютной температуры Максимальная длина волны смещается к области более коротких волн.

2. Закон теплового излучения Кирхгофа: чем больше тело излучает |, тем больше оно и поглощает, или излучательная способность тела прямо пропорциональна поглощательной при той же температуре.

3. Закон Стефана—Болъцмана для реального тела: излучательная Способнсть реального тела Е зависит от степени черноты тела и про- порциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т.

4. Для большинства твердых (серых) тел вместо поглощательной способности оперируют понятием степени черноты реального тела . под степенью черноты реального тела е понимают отношение излучательной способности данного тела Е к излучательной способности абсолютно черного тела Е_о при той же температуре: =(Е/Е₀)г-

5. Степень черноты полного излучения тел характеризует суммарное лучеиспускание реального тела, определяется экспериментально.

Наиболее существенно на и А в инфракрасном диапазоне излучения влияет шероховатость поверхности, поэтому различают степень Черноты металла как вещества (шероховатое или окисленное) и метал­ла после его обработки или полировки, когда степень черноты имеет Например, медь окисленная имеет = 0,6...0,8; медь слегка полирован = 0,12; а медь тщательно полированная имеет = 0,02.

Суммарная теплопередача лучеиспусканием между телами:

где е_n - приведенная степень черноты системы тел; с₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, с₀ = 5,67 Вт/(м² • К⁴); F - площадь теплопередающей поверхности, м².

Приведенная степень черноты системы тел с плоскопараллельными поверхностями FиF.

,