Лекция 5 (тт)

Тема 11. Тепловое излучение

11.1. Общие сведения о тепловом излучении

Лучи - это распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Источник теплового излучения - внутренняя энергия нагретого тела.

Свойства лучей связаны с длиной их волны λ. Наименьшей длиной волны обладают космические лучи, их длина волны λ=(0,1-10)^оА (^оА - ангстрем, 1^оА=10^-10 м). Радио- или электромагнитным лучам отвечают наиболее длинные волны с λ>400 мк. Для теплопередачи представляют интерес тепловые лучи с λ=(0,8÷40) мк.

Лучеиспускание свойственно всем телам. Каждое из них излучает и поглощает энергию непрерывно. При любых температурах между телами, расположенными как угодно в пространстве, существует непрерывный лучистый теплообмен.

При температурном равновесии тел количество отдаваемой лучистой энергии равно количеству поглощаемой лучистой энергии.

Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн от малых до больших.

Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн. Такое излучение называют селективным (избирательным). Излучение газов носит объемный характер.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным (полным) лучистым потоком Q. Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела, называется плотностью интегрального излучения (плотностью лучистого потока) и определяет излучательную способность тела

Е=dQ/dF, [Вт/м²], (11.1)

где dQ - элементарный лучистый поток, испускаемый элементом поверхности dF.

Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя лучи, падающие от другого тела. Если общее количество падающей на тело лучистой энергии Q, то часть (доля) энергии А поглощается телом, часть R отражается, а часть D проходит сквозь тело:

Q=Q_A+Q_R+Q_D, (11.2)

или, после деления на Q,

A+R+D=1. (11.3)

Величина А - коэффициент поглощения - отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело.

Величина R - коэффициент отражения - отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей на тело энергии.

Величина D - коэффициент проницаемости - отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей энергии, падающей на тело.

Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию,

А+R=1.

Поверхность называют абсолютно черной, если она поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А=1, R=0 и D=0. Если поверхность отражает все падающие на нее лучи, то её называют абсолютно белой. При этом R=1, А=0, D=0. Если тело абсолютно проницаемо (прозрачно) для тепловых лучей, то D=1, R=0 и A=0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, но понятие о них важно для сравнения с реальными телами.

Кварц для тепловых лучей непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых прозрачен. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых. Оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых почти непрозрачно. Белая поверхность хорошо отражает лишь видимые лучи, а тепловые поглощает так же хорошо, как и темная. Таким образом, свойство тел поглощать или отражать тепловые лучи зависит в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Поверхность, отражающую лучи под тем же углом, под которым они падают на нее, называют зеркальной.

Отражение называют диффузным, если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по всевозможным направлениям.

Лучистая энергия, испускаемая абсолютно черным телом, распределена по отдельным длинам волн спектра. Каждой длине волны при определенной температуре соответствует определенная интенсивность излучения I_sλ. Интенсивность излучения или спектральная (монохроматическая) интенсивность представляет собой плотность лучистого потока тела для длин волн от λ до λ+dλ, отнесенную к рассматриваемому интервалу длин волн dλ:

I_sλ=dE_sλ/dλ. (11.4)