Лучистый теплообмен

Лучистая энергия в телах проявляется в виде электромагнитных коле-баний вследствие возбуждения атомов и молекул вещества. Тепловыми на-зываются лучи, имеющие длину волны от 0,8 мк до 0,8 мм.

При расчетах излучения используются понятия лучистого потока, энергии излучения и интенсивности излучения.

Лучистый поток,или мощность излучателя, —это общее количестволучистой энергии, испускаемой телом в пространство в единицу времени.

Энергия излучения или излучательная способность тела—лучистыйпоток, испускаемый единицей поверхности тела.

Интенсивность излучения —энергия излучения,испускаемая телом вопределенном направлении в единице телесного угла. Если интенсивность излучения по всем направлениям одинакова, то такое излучение называет-ся диффузным. Для диффузного излучения энергия и интенсивность излу-

где Е — энергия излучения, Вт/м²; I — интенсивность излучения, Вт/м². В общем случае падающая на тело лучистая энергия может частично

поглощаться им, частично отражаться и частично проникать сквозь тело. Указанные свойства тел принято характеризовать коэффициентами погло-

щения А, отражения R и пропускания D, которые по закону сохранения энергии в сумме составляют единицу

Если тело поглощает всю падающую на него лучистую энергию (А=1), то оно называется абсолютно черным, если отражает (R=1), — абсолютно белым,если пропускает(D=1), — абсолютно прозрачным.Таких тел вприроде нет, хотя имеются тела, близкие по этим свойствам к абсолютным. Например, двухатомные газы (воздух) являются прозрачными; 90-96 % па-дающей энергии поглощает нефтяная сажа; тщательно отполированная медь почти полностью отражает тепловые лучи. Введение «абсолютных» тел упрощает изучение законов, управляющих излучением.

В основу всех расчетов теплового излучения различных тел положены законы излучения абсолютно черного тела как наиболее простые и универ-сальные.

Зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела по длинам волн при разных температурах тела устанавливает закон Планка, графически изображенный на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Зависимость интенсивности излучения абсолютно черного тела от длины волны и температуры

Приведенные кривые показывают, что интенсивность излучения очень коротких волн быстро возрастает до максимума, затем медленно

убывает, стремясь к нулю при очень больших длинах волн. Также видно, что с возрастанием температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн. Последним объясняется изменение цвета тела при повышении его температуры.

Зависимость полной энергии излучения абсолютно черного тела от температуры устанавливает закон Стефана–Больцмана:

где σ0	= 5,67·10-8 — постоянная излучения	абсолютно черного те-
ла, Вт/(м2К4); Т — температура тела, К.
В технических расчетах эту формулу удобно записывать в виде

где С₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴) — коэффициент излучения абсолютно черного тела. Все окружающие нас тела излучают и поглощают меньше лучистой энергии, чем абсолютно черное тело, и частично отражают и пропускают

ее. Такие тела называются «серыми» телами.

Серые тела обладают сплошным спектром излучения, причем их поглощательная способность не зависит от длины волны падающего излучения.

Отношение энергии излучения серых тел Е к излучательной способ-ности черного тела Е₀ называется коэффициентом черноты тела:

Закон Кирхгофа утверждает, что поглощательная способность тел равна их излучательной способности. Поэтому для расчета энергии излу-чения и поглощения тел можно использовать закон Стефана–Больцмана

При теплообмене излучением между двумя телами результирующее количество передаваемой энергии определяется как разность энергии, из-лученной и поглощенной телом. Более нагретое тело теряет энергию, а ме-нее нагретое приобретает ее. Результирующее количество энергии опреде-ляется формулой:

где Q_1–2 — результирующее излучение энергии первого тела на второе, Вт; T₁и Т₂—абсолютная температура тел,К; F₁—площадь поверхности из-лучателя, м²; φ_1–2 — коэффициент облученности второго тела первым, по-казывающий, какая доля энергии, излученной первым телом, падает на второе; С_пр — приведенный коэффициент излучательной способности тел, Вт/(м²·К⁴).

Приведенный коэффициент излучения при произвольном расположе-

где ₁, ₂ — степень черноты соответственно более нагретого и менее на-гретого тел.

Излучение газов отличается от излучения твердых тел. Одно– и двух-атомные газы практически не излучают и не поглощают энергию. Значитель-ной излучательной способностью обладают трехатомные газы, такие как ди-оксид углерода, водяной пар. В отличие от твердых тел они излучают и по-глощают лишь в определенных, характерных для них полосах спектра. Вне этих полос газы прозрачны. Излучательная или поглощательная способность газовой среды оценивается также по отношению к поглощательной способ-ности абсолютно черного тела. Коэффициент черноты газовой среды зависит от ее температуры, концентрации излучающих газов и длины луча в среде. Лучистый теплообмен между телами, разделенными газовой средой, проис-ходит с частичным поглощением энергии самой средой.