Лучистый теплообмен. Закон кирхгофа.

Основные понятия и определения. Тепловое излуче­ние представляет собой процесс превращения внутренней энер­гии излучающего тела в лучистую энергию электромагнитных колебаний. При попадании лучистой энергии на другое тело она частично поглощается им, превращаясь во внутреннюю энергию. Особенность теплообмена излучением заключается в том, что от­падает необходимость в непосредственном контакте тел. Излу­чение электромагнитных волн свойственно всем телам.

Излучение обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, а именно — непрерывностью электромагнитных волн и дискретностью, характерной для испускаемых частиц — фото­нов. Распространение излучения в пространстве определяется

волновыми свойствами, а энергия излучения — корпускулярными. Теп­ловое излучение характеризуется длиной волны λ и частотой колеба­ний v. При этом между ними име­ется зависимость v = C / λ, где С = З*10⁸ м/с — скорость распростране­ния света.

Излучение всех зависит от тем­пературы. С увеличением темпера­туры увеличивается внутренняя энергия тела и, как следствие, излу­чение тела.

Кроме температуры, излучение зависит от природы тела, состоя­ния поверхности, а для газов — также от толщины слоя и дав­ления. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию во всех диапазонах длин волн. Чистые металлы и газы ис­пускают энергию только в определенных интервалах волн — так называемое селективное излучение.

При умеренных температурах, которые обычно встречаются в технике, в том числе в сельскохозяйственном производстве, из­лучение соответствует диапазону длин волн от 0,8-10~⁶ до 0,8х Х10~³ м. Они относятся к тепловому (инфракрасному) излу­чению.

Интегральный лучистый поток, излучаемый в единицу вре­мени с единицы поверхности по всем направлениям полусфери­ческого пространства и по всем длинам волн, называют поверх­ностной плотностью потока интегрального излучения, или излу-чательной способностью тела Е, Вт/м².

Отношение плотности потока излучения, испускаемого в бес­конечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала, носит название спектральной плотности потока излучения, Вт/м³,

Закон Кирхгофа. Установление количественной связи между энергиями излучения и поглощения для серого и абсолютно чер­ного тел носит название закона Кирхгофа.

Рассмотрим лучистый теплообмен между параллельно рас­положенными плоскими поверхностями серого 1 и абсолютно чер­ного 2 тел (рис. 12.2). Серое и черное тела имеют соответственно температуры T = T 0, Примем, что Т>Т₀. Энергии излучения тел Ео и Е равны, коэффициенты поглощения А и А_о равны 1. Плот­ность результирующего потока теплоты от серого тела к черному

При равенстве температуры тел, участвующих в лучистом теп­лообмене {Т = Т₀), Е_р = 0 и, следовательно, Е=АЕ₀. Откуда

С учетом уравнения (12.9)

Из закона Кирхгофа следует, что степень черноты тела в со­стоянии термодинамического равновесия равна его коэффициен­ту поглощения. Коэффициент поглощения серого тела не зависит от длины волны падающего излучения, т. е. для серого тела за­кон Кирхгофа справедлив и для случаев, когда излучатель и при­емник теплоты имеют различные температуры.