Особенности изучения газов

Газы в отличие от твердых тел при излучении (или поглощении) энергии имеет три особенности.

1. Одно- и двухатомные газы с симметричной структурой молекулы (такие как Н₂, О₂, N₂ и др.) являются прозрачными для излучения. Излучают энергию только многоатомные газы с несимметричной структурой молекулы. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением только двуокиси углерода СО₂ и паров воды Н₂0.

2. Газы имеют не сплошной, а селективный спектр излучения, характеризуемый узким диапазоном длин волн. Это видно из табл. 13.2 и рис. 13.8.

Таблица 13.2

Отсюда следует, что для излучения Солнца (видимый свет λ=0,4—0,8 мкм) атмосфера Земли является прозрачной. Тепловое же излучение самой Земли (длинные волны) в большей части удерживается в атмосфере. Таким образом, тенденция к повышению в атмосфере углекислого газа должна привести к потеплению климата на Земле.

3. Если твердые тела излучают энергию поверхностью, то газы всем объемом, т. е. толстые слои газа поглощают больше (а следовательно, пропускают меньше), чем тонкие слои.

Рис. 13.8. Поглощательная способность водяного пара

В целом поглощательная способность газа определяется его родом, его парциальным давлением p (количеством молекул в единице объема) и «толщиной» газового объема.

При расчетах «толщину» газа заменяют эффективной длиной,

где V — объем, занимаемый газом; F — площадь поверхности газа.

Зависимость коэффициента излучения (или степени черноты) ε двуокиси углерода от величины pl_э представлена на рис. 13.9.

Рис.13.9. Зависимость степени черноты СО₂ от его температуры и величины

Лучистый поток в системе «стенка-газ» определяется следующим образом:

(13.24)

Здесь Т_ст — температура стенки; Т_г — температура газа

Для продуктов сгорания углеводородных топлив степень черноты определяется по следующей эмпирической зависимости:

Здесь вычитаемый член учитывает поглощение на одних и тех же длинах волн. в зависимости от температуры Т и значения pl_э находятся из графиков (см., например, рис. 13.7).