Передача теплоты излучением.

Все тела излучают электромагнитные волны. Излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называют тепловым. Лучистый поток - это энергия излучения, Дж, проходящая в единицу времени (1 с) через поверхность площадью F, м², во всех направлениях пространства.

Излучение зависит от температуры тела: чем выше температура тела, тем интенсивнее испускание тепловых лучей.

Тела, полностью поглощающие падающую на них лучистую энергию, называют абсолютно черными. Тела, обладающие свойством полного и правильного отражения всей падающей лучистой энергии, называют зеркальными, а тела, обладающие свойством полного диффузного отражения этой энергии, называют абсолютно белыми. Тела, полностью пропускающие сквозь себя падающую лучистую энергию, называют абсолютно прозрачными, или проницаемыми.

Согласно закону Стефана-Больцмана полное количество энергии, излучаемой единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени,

(11)

где С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м² ·К⁴); Т - абсолютная температура поверхности тела, К.

Из этого уравнения следует, что энергия излучения пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени.

Поток излучения?Q, проходящий через единицу поверхности, называют плотностью потока излучения, Вт/м²,

(12)

Энергия излучения, падающего на тело Е_пад, частично поглощается (Е_А), частично отражается (Е_R) и частично проникает сквозь него (E_D):

Отношение А = Е_А/Е_пад называют коэффициентом поглощения, R = E_R/ Е_пад - коэффициентом отражения, D = Е_D/Е_пад - коэффициентом пропускания. Для абсолютно черного тела А = 1. Тела, для которых А< 1, называют серыми. Для абсолютно белого тела R = 1, для абсолютно прозрачного тела D = 1.

Согласно закону Кирхгофа, учитывающему способность различных тел к лучеиспусканию и лучепоглощению, коэффициент лучеиспускания любого тела при определенной температуре и определенной длине волны излучения пропорционален поглощательной способности данного тела при той же температуре и той же длине волны. При данной температуре тело излучает тем больше теплоты, чем больше оно поглощает лучей, т.е. чем оно чернее. Идеальное абсолютно черное тело поглощает все падающие на него лучи, поэтому абсолютно черное тело и излучает наибольшее количество тепловых лучей.

При термодинамическом равновесии отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел функцией температуры и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е₀ при той же температуре:

(13)

Отношение излучательной способности данного тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре называют степенью черноты тела

(14)

Следовательно, излучательную способность тела можно представить как степень его черноты, умноженную на излучательную способность абсолютно черного тела: Е = εЕ₀

Степень черноты различных тел меняется от нуля до единицы и зависит от состояния поверхности, материала, температуры и других факторов.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

Рассмотренные выше явления передачи теплоты протекают обычно одновременно. Например, когда тело (поверхность нагрева) омывается газом, то наряду с конвективным теплообменом имеется теплообмен излучением (радиацией). В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку (рис. 2, а). В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t₁ стенке с температурой t_c^l. Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой t_c^ll и, наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t₂. Тогда плотность теплового потока для однослойной стенки с учетом формул (6) и (10) будет

(15)

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой (см. рис. 2, а) поверхности стенки; δ - толщина стенки; λ - коэффициент теплопроводности разделительной стенки; α₂- коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.

Рисунок 2. Передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде через разделительную стенку: а - однослойную; б - многослойную

Если дробь

обозначить буквой k, то формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время τ, примет следующий вид:

(16)

Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м²·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи R₀ = 1/k = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂.

Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рис. 2, б), то плотность теплового потока с учетом формул (7) и (10) будет

(17)

а коэффициент теплопередачи

(18)

В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей.