РАЗДЕЛ 3. Лучистый теплообмен

Общие положения

       Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Электромагнитными волнами называют электромагнитные возмущения, исходящие от излучающего тела и распространяющиеся в вакууме со скоростью света, равной 3^.10⁸ м/с. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами они вновь превращаются в тепловую энергию.

 Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т.е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебание ионов соответствует излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением электронов, может иметь высокую частоту, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются около своего центра равновесия значительными силами.

       В металлах многие электроны являются свободными, и поэтому нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов и имеет волны различной частоты, в том числе и волны низкой частоты.

Помимо волновых свойств, излучение обладает также и корпускулярными свойствами. Корпускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия испускается и поглощается материальными телами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями – квантами света или же фотонами. Испускаемый фотон – частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой.

Поэтому тепловое излучение можно рассматривать как фотонный газ. Прохождение фотонов через вещество есть процесс поглощения и последующего испускания энергии фотонов атомами и молекулами вещества.

Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывности полей электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными для фотонов. синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредотачиваются в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства в волнах,

Классификация излучения в зависимости от длины волны приведены в табл. 5.

Таблица 5 – Классификация электромагнитного излучения в

зависимости от длин волн

Виды излучения	Длина волны
Космическое	0,05 мкмк*
g -излучение	0,5¸0,10 мкмк
Рентгеновское	1мкмк¸20 ммк
Ультрафиолетовое	20 ммк¸0,4 мк
Видимое	0,4¸0,8 мк
Тепловое (инфракрасное)	0,8 мк¸0,8мм
Радиоволны	более 0,2 мм

 

       Некоторые виды излучения обладают свойствами превращаться в тепловую энергию. Поглощение телами энергии вызывает нагревание. Это свойство излучения определяется длиной волны в зависимости от температуры тела. В наибольшей мере такими свойствами обладает инфракрасное излучение с длиной волны от 0,4 до 40 мк. Видимый диапазон излучения - 0,4¸0,8 мк. Это излучение называется тепловым, а процесс распространения его энергии между телами в пространстве – тепловым излучением или лучистым теплообменом.

       Квантовые или корпускулярные свойства проявляются наиболее существенно в коротковолновом излучении. Характерные волновые свойства наиболее отчетливо наблюдаются у радиоволн.

Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения. Чистые металлы и газы характеризуются выборочным или селективным излучением.

Подавляющее большинство встречающихся в природе и технике твердых и жидких тел имеют значительную поглощательную и излучательную способность. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для проводников тепла толщина этих слоем имеет порядок 1 мк, а для непроводников тепла – порядок 1 мм. Поэтому, применительно к твердым телам, а также жидкостям, тепловое излучение в ряде случаев приближенно можно рассматривать как поверхностное явление. Газообразные тела имеют значительно меньшее излучение, чем твердые и жидкие тела. Поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер. Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличение температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Кроме того, изменение температуры сопровождается изменением спектрального состава излучения. При увеличении температуры растет интенсивность коротковолнового излучения, а интенсивность длинноволнового излучения уменьшается.

 

Основные понятия

Излучение, относящееся к узкому интервалу длин волн от l до l +D l, называется потоком монохроматического, спектрального или однородного излучения (Q _l).

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком (Q).

Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется интегральной плотностью полусферического излучения или излучательной способностью тела

, Вт/м²,                                (106)

где dQ – лучистый поток, Вт, (Дж/с), испускаемый с элемента поверхности dF, м².

       Если речь идет о собственном излучении тела, т.е.

Q = Q_собс., то валичина Е = Е_собс. называется лучеиспускательной способностью тела.

       Лучистый поток по всей поверхности можно выразить как

, Вт.                              (107)    

Здесь F –полная поверхность тела, м².

       Если плотность интегрального полусферического излучения для всех точек поверхности излучающего тела постоянна, то зависимость (107) переходит в соотношение

, Вт.                               (108)

Отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечном малом интервале длин волн к величине этого интервала длин волн, носит название спектральной интенсивности излучения:    

, Вт/м³.                         (109)

В этом случае имеет место излучение энергии одного цвета с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства. Интенсивность излучения изменяется с длиной волны. Кроме того, оно может изменяться по отдельным направлениям излучения.

       Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением (Q, Е). Обычно тело участвует в теплообмене с другими телами. Энергия излучения других тел, попадая на данное тело, частично им поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тело.

       Обозначим Q_о общее количество лучистой энергии, падающей на тело в единицу времени, через Q_А, Q_R, Q_D - соответственно количество лучистой энергии поглощенной, отраженной и пропущенной сквозь тело. Тогда можно написать уравнение баланса лучистой энергии: Qо = Q_А + Q_R + Q_D (рис. 27).

Рис. 19  Баланс лучистой  энергии

       Если разделим равенство на падающий поток, то получим:

(110)

или

где  - поглощательная способность тела;  - отражательная способность тела;

 - пропускательная способность тела.

       Тело, полностью поглощающее падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным (А = 1; R = D = 0).

       Тело, полностью отражающее падающую на него лучистую энергию, называется зеркальным или абсолютно белым (R = 1; А = D = 0).

Тело, полностью пропускающее падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно прозрачным или диатермичным (D = 1; R = А = 0).

Реальные тела в природе нельзя отнести ни к одной из указанных категорий, т.к. для реальных тел А < 1, R < 1, D < 1 и они носят название серых тел.

Существуют тела, которые по своим свойствам близко подходят к свойствам абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел. Близко подходит к свойствам абсолютно черного тела сажа, бархат, иней (А = 0,97). Снег по отношению к тепловому излучению не слишком нагретых тел является почти абсолютно черным телом (А = 0,985). близкими по свойствам к абсолютно белым телам – полированные металлы (R = 0,95÷0,97). Близкими к свойствам диатермичного тела относятся одноатомные и двухатомные газы (D ≈ 1). Имеется много тел, которые прозрачны для лучей определенной длины волны, но непрозрачны для лучей другой длины волны. Например, оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых лучей оно почти не прозрачно. Белая поверхность хорошо отражает только видимые (солнечные) лучи, что и дает восприятие белого цвета. Невидимые тепловые лучи белой поверхностью поглощаются интенсивно.

Если между данным телом и окружающими телами происходит лучистый теплообмен, то поверхность тела испускает не только собственное излучение, но и часть падающего излучения. Результирующее излучение q_w представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом Е_пад, и эффективным лучистым потоком Е_эф, который она посылает в окружающее пространство (рис. 28)/

                                     .                          (111)

Сумма собственного излучения и отраженного лучистого потока называется эффективным излучением

Е_эф = Е_собс – Е_отр = Е_собс – r ^. Е_пад.

Рис. 20  Распределение тепловых потоков

Величину q_w можно получить и из другого соотношения:

              (112)           

       Для расчетов лучистого теплообмена необходимо найти связь между тремя видами лучистых потоков на поверхность тела: эффективным, результирующим и собственным излучениями. Эта связь легко устанавливается на основе приведенных выше определений лучистых потоков. Из формулы (111) получаем

   ,                       (а)              

из формулы (112) следует

                                            .                          (б)           

Подставляя выражение (б) в (а) находим связь Е_эф, q_w и Е_собс

.                    (113)

Результирующий тепловой поток может быть положительным, отрицательным и равным нулю.