Таким образом, излучение жидких и твердых тел является поверхностным.

Исключение составляют газы, характеризующиеся высокой прозрачностью. В излучении газов участвуют все его частицы, процесс излучения носит объемный характер.

 

2.ПОГЛОЩАТЕЛЬНАЯ, ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ И ПРОПУСКАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Тепловое излучение свойственно всем телам и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Часть энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Часть энергии, которая отражается, попадает на другие тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным превращением энергии ( тепловая - лучистая - тепловая ), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемого или воспринимаемого тепла определяется разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой температуре этих тел вся система находится в так называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. В этом случае все тела системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен её расходу.

Пусть на поверхность некоторого тела падает поток лучистой энергии Q_ПАД, Вт. Часть этого потока Q_ПОГ поглощается телом, часть Q_ОТР - отражается от поверхности и часть Q_ПРОП пропускается телом если оно обладает некоторой прозрачностью. Таким образом, в соответствии с законом сохранения энергии имеем

Q_ПАД = Q_ПОГ + Q_ОТР + Q_ПРОП

Поделив обе части равенства на Q_ПАД, получим

1 = А + R + D

где А = Q_ПОГ / Q_ПАД - поглощательная способность тела;

  R = Q_ОТР / Q_ПАД - отражательная способность тела;

  D = Q_ПРОП / Q_ПАД - пропускательная способность тела.

Если тело непрозрачно, т. е. его пропускательная способность D = 0, то

А + R = 1.

Если, кроме того, отражательная способность равна нулю, т. е. R = 0, следовательно, тело поглощает всю падающую на поверхность лучистую энергии, т. е. А = 1. Такое тело называется абсолютно черным.

Тела, которые пропускают всю падающую на них энергию, ничего не поглощая и, ничего не отражая, называются прозрачными или диатермичными.

Если поверхность отражает падающие лучи по законам оптики ( т. е. угол отражения равен углу падения ), то такое отражение называется зеркальным. Зеркальным отражением обладают блестящие полированные поверхности.

Если же отраженное излучение равномерно распределено по разным направлениям, т. е. поверхность тела является матовой, то такое отражение называется диффузным.

Излучение поверхности тела, обусловленное его нагревом, называется собственным излучением. Если собственное излучение равномерно распределено по всем направлениям в пределах полусферы, то такое излучение называется диффузным.

Плотностью лучистого теплового потока или плотностью потока интегрального излучения называется величина

Е = dQ / dF Вт / м²,

где Q - лучистый поток, представляющий собой количество энергии излучения, переносимое в единицу времени через произвольную поверхность, Вт (Дж / ч).

спектральной плотностью излучения называется энергия, излучаемая единицей поверхности тела в единицу времени при данной длине волны, т. е. в спектральном диапазоне от l до l + d l

Е _l = Е / l Вт / м³.

Элемент поверхности любого тела излучает энергию по всем направлениям в пределах полусферы, однако, распределение энергии по различным направлениям может быть различным.

угловой плотностью излучения, I называется количество энергии, излучаемое единицй поверхности тела в единицу времени в пределах телесного единичного угла, ось которого составляет угол q  с нормалью к данной поверхности, Вт / (м² × стер)

I _q  = d²Q / (dF × d w) = dE / d w,

где d w - телесный угол, стерадиан.

Соответственно спектральная угловая плотность излучения, Вт/м × стер

I _{l q} = d²Q _l / (dF × d w) = dE _l / d w.

Яркостью излучения называется величина потока излучения в единице телесного угла, отнесенная к единице площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения.

В = d²Q / dF × d w × cos q = dE / d w × cos q.

Если измерить элементарный лучистый поток посылаемый абсолютно черной площадкой dF в единице телесного угла в различных направлениях i₀ = dE₀ / d w, легко убедиться, что этот поток изменяется пропорционально косинусу угла q между нормалью к площадке dF и направлением излучения.

В нормальном к площадке направлении i₀ лучистый потокдостигает максимального значенияи уменьшается по мере увеличения угла q.

Аналогичным образом изменяется также в зависимости от направления и видимая величина излучающей поверхности, т. е. проекция излучающей площадки dF на плоскость перпендикулярную направлению излучения

dF_N = dF × cos q.

Однако соотношение этих величин, т. е. удельный тепловой поток с единицы нормальной к направлению излучения поверхности dF_N в единице телесного угла, или яркость остается постоянной и не зависит от направления.

В = i₀ (q) / dF_N (q) = dE₀(q) / dF_N(q) × d w.

Соответственно спектральная яркость излучения

В _l = dE _l / d w × cos q.

 

 

Связь между яркостью и плотностью потока полусферического ( в пределах телесного угла w = 2 p) излучения изотропно излучающего тела устанавливает выражение

В = Е / p.

То есть яркость диффузно излучающего тела в p раз меньше его плотности лучистого потока ( плотности интегрального излучения ).

3.ВИДЫ ЛУЧИСТЫХ ПОТОКОВ

Если между данным телом и другими, окружающими его телами, происходит лучистый теплообмен, то поверхность тела испускает не только собственное излучение, но и ту часть падающего на него излучения, которая отражается этой поверхностью.

Сумма собственного излучения тела и излучения отраженного называется эффективным излучением. Это фактическое излучение тела, которое мы ощущаем или измеряем приборами.

эффективное излучение зависит от физических свойств и температуры не только данного тела, но и других окружающих его тел, а так же от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Таким образом, плотность потока эффективного излучения выражается

Е_ЭФФ = Е + Е_ОТР = Е + R × Е_ПАД                           (1)

В процессе теплообмена с окружающими телами на поверхность данного тела поступает падающее излучение. Часть этого излучения поглощается телом, однако, в связи с тем, что часть своей энергии данное тело передает окружающим его телам в виде собственного излучения, результат теплообмена, т. е. количество тепла получаемое ( или отдаваемое ) поверхностью данного тела в процессе лучистого теплообмена, должен быть выражен как разность между поглощенным и собственным излучением. Эта разность называется результирующим излучением. Так как падающее излучение определяется температурой и свойствами окружающих тел, то физические количества собственного и отраженного излучения неодинаковы, их спектры различны. Однако для тепловых расчетов это различие не имеет значение.

Плотность результирующего потока тепла выражается следующим образом.

Е_РЕЗ = Е_ПОГЛ - Е = А × Е_ПАД - Е                     (2)

Результирующее излучение может быть представлено как разность суммарных количеств энергии, поступающих на поверхность тела и уходящих с неё, т. е. как разность между падающим и эффективным излучением.

Е_РЕЗ = (Е_ПОГЛ + Е_ОТР) - (Е + Е_ОТР) = Е_ПАД - Е_ЭФФ      (3)

Для расчета лучистого теплообмена необходимо найти связь между тремя видами лучистых потоков на поверхности тела: собственным, эффективным, и результирующим.

Эта связь легко устанавливается на основании приведенных выше определений лучистых потоков. Из формулы (3) получаем Е_ЭФФ

Е_ЭФФ = Е_ПАД - Е_РЕЗ                              (4)

С другой стороны плотность падающего излучения можно выразить с помощью равенства (2)  через Е_РЕЗ и Е.

Е_ПАД = (Е_РЕЗ + Е) / А                          (5)

Подставляя выражение (5) в (4) находим связь между Е_ЭФФ, Е_РЕЗ и Е.

Е_ЭФФ =                              (6)

Проинтегрировав выражение (6)  по поверхности тела, получим аналогичную связь между потоками излучения.

Q_ЭФФ =                              (7)

Это выражение справедливо только в том случае, когда поглощательная способность,  А постоянна по всей поверхности тела.