Основные определения лучистого теплообмена

Основы теории лучистого теплообмена

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии в энергию электромагнитных колебаний. Природа электромагнитных волн одна и та же. Но чисто условно (по мере их исследования) все электромагнитные волны в зависимости от их длины (или частоты) делятся на ряд диапазонов. Волны видимого или светового диапазона (длина волны лежит в пределах от 0,4 до 0,8 мкм) и инфракрасные волны (от 0,8 до 80 мкм) принято называть тепловым излучением.

Следует напомнить, что тела способны не только излучать энергию, но и поглощать ее. Если в рассматриваемой системе находятся тела, имеющие различную температуру, то каждое тело испускает и поглощает различное количество энергии. Вследствие этого одни тела нагреваются, другие охлаждаются.

Но если в системе все тела имеют одинаковую температуру, то в системе устанавливается равновесие: все тела по-прежнему излучают и поглощают энергию, но ее количества равны, т.е. расход энергия равен ее поступлению,

Заметим, что твердые тела и жидкости излучают электромагнитные волны во всем диапазоне частот от 0 до ∞, т.е. имеют сплошной спектр излучения. Но основная доля их излучения приходится на тепловое излучение.

Чистые (неокисленные) металлы и газы характеризуются выборочным (селективным) излучением, т.е. излучают волны только определенной длины.

Поверхностной плотностью интегрального излучения Е называется удельный тепловой поток, т. е. количество тепловой энергии, излучаемой с единицы поверхности в единицу времени на всех длинах волн во всех направлениях.

Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн от λ–dλ до λ+dλ, называется монохроматическим.

Рассмотрим излучение Е, падающее на поверхность тела (рис. 13.1). Достигнув поверхности, этот пучок разделяется на три части: одна часть — E_R — отражается от поверхности, другая — Е_A — поглощается телом, а третья — E_D — пропускается через него.

Легко составить уравнение баланса энергии:

E=E_R+E_A+E_D

или

E=RE+AE+ДE. (13.1)

В уравнении (13.1) коэффициенты получили следующие названия:

R — коэффициент отражения, ;

A — коэффициент поглощения, ;

D — коэффициент пропускания, .

Из (13.1) следует, что

R + A + D = 1.

Рис. 13.1. Распределение энергии излучения, падающего на тело

Условно все телa разбиваются на 4 группы. Тела, для которых R=1, называются абсолютно белыми телами, для которых А=1 — абсолютно черными телами, для которых D=1 — абсолютно прозрачными телами. Тела, у которых 0<А<1, называют серыми телами.

Заметим, что в природе все тела– серые.

Поверхность может поглощать инфракрасные лучи, но не поглощать световые лучи. При этом она не выглядит черной. Это относится, например, к снегу, который наше зрение воспринимает как белую поверхность, хотя для снега А=0,98.

Абсолютно черное тело можно моделировать с помощью изотермической замкнутой сферической оболочки, имеющей единственное отверстие (рис. 13.2).

Абсолютно черные тела поглощают (а, следовательно, и излучают) максимальное количество энергии по сравнению с другими телами при одной и той же температуре. Они могут выступать как эталон, с которым целесообразно сравнивать все другие тела.

В заключение дадим понятие лучистого теплообмена.

Лучистым теплообменом называется процесс взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии всеми телами, находящимися в рассматриваемой системе.

Рис. 13.2. Изотермическая замкнутая полость, моделирующая поведение черного тела