Полный поток излучения

Q = ∫ЕdF, Вт, (4.2)

^F

передаваемого через поверхность конечной площади F. При постоянной плотности интегрального излучения Е излучающей поверхности пол-ный лучистый поток Q определяется соотношением:

Q = ЕF. (4.3)

Распределение энергии излучения по частотам или длинам волн характеризуется спектром излучения.

Спектральная или, что то же самое, монохроматическая плот-ность потока полусферического излучения относится либо к единич-ному интервалу частот

Е_ν = dЕ/dν, (4.4)

либо к единичному интервалу длин волн

Е_λ = dЕ/dλ. (4.5)

В первом случае размерность спектральной плотности Вт·с/м², во втором – Вт/(м²·м).

Значения Е_ν и Е_λ связаны между собой соотношением:

νЕ_ν = λЕ_λ. (4.6)

В общем случае тело, на которое падает лучистый поток, частично поглощает его, частично отражает и частично пропускает (рис. 4.1).

На основании закона сохранения энергии можно записать:

Q_пад = Q_А + Q_R + Q_D (4.7)

В безразмерном виде

А + R + D =1, (4.8)

где А = Q_А /Q_пад – коэффициент поглощения;

R = Q_R /Q_пад – коэффициент отражения;

D = Q_D /Q_пад – коэффициент пропускания.

Рис. 4.1. Распределение лучистого теплового

потока, падающего на тело

Такое же соотношение имее место и для монохроматического излучения (т.е. для излучения с определенной длиной волны):

А_λ + R_λ + D_λ = 1. (4.9)

Для одного и того же тела при различных длинах волн величины А_λ, R_λ и D_λ могут иметь существенно различные значения. Так, обычное стекло хорошо пропускает световые лучи, но почти не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Коэффициенты поглощения, отражения и пропускания зависят от природы тел и состояния их поверхности. Как видно пз формулы (4.8), их значения могут изменяться в пределах от 0 до 1.

Тело, которое полностью поглощает всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным. Для такого тела А= = 1 и R = D =0. В дальнейшем все величины,относящиеся к абсолютно черному телу, будут обозначаться индексом «0», например А_о =1.

Тело, отражающее всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно белым. В этом случае R = 1 и A = D = 0. Если отражение имеет правильный характер (угол падения равен углу отражения), то такие тела называются зеркальными.

Тела, пропускающие всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолоютно прозрачными (диатермичными). Для них D= = 1 и A = R = 0.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует. Наиболее близки к абсолютно черному телу сажа и бархат (А = 0,97 – 0,98), к абсолютно белому телу – полированные металлы (R= = 0,97). Сухой воздух, одно- и двухатомные газы (при температуре ниже 2500 – 3000 К) можно с хорошим приближением рассматривать как диатермичные (абсолютно прозрачные) среды (D ≈ 1).

Большинство конструкционных твердых тел (металлы, сплавы, теплоизоляционные материалы) и ряд жидкостей (спирты, вода) для тепловых лучей при заметных толщинах слоя веществ практически непрозрачны (D ≈ 0). При этом

А + R = 1. (4.10)

Для металлов D → 0 уже при толщине приблизительно 1 мкм, для диэлектриков – при толщинах около 1 мм. Поэтому для упрощения рассмотрения часто полагают, что процессы поглощения и отражения, определяемые соотношением (4.10) протекают на самой поверхности этих тел. Если на поверхность такого тела извне не падает лучистая энергия, то единственный поток энергии, который можно зарегистрировать, будет исходить с поверхности тела и передаваться в окружающее пространство. Этот поток энергии с плотностью Е₁ называется собственным излучением тела. При сделанных выше оговорках можно считать, что это излучение формируется на самой поверхности тела и, следовательно, зависит лишь от температуры, материала и состояния поверхности. В реальных условиях со стороны внешнего окружения на поверхность тела падает какой-то внешний поток лучистой энергии - падающее излучение плотностьюЕ_пад. Часть этого потока в количестве А₁Е_пад поглощается телом - поглощенное излучение. Часть в количестве

R₁Е_пад = (1 – А₁)Е_пад (4.11)

отражается поверхностью тела – отраженное излучение. Сумма соб-ственного и отраженного излучения образует эффективное излучение данного тела:

Е_эф1 = Е₁ + (1 – А₁)Е_пад, (4.12)

которое и регистрирует прибор. Наконец, разность между собственным и поглощенным излучением образуетрезультирующее излучение:

Е_рез1 = Е₁ – А₁Е_пад. (4.13)

Величина Е_рез1 показывает суммарный расход (приход) энергии вследствие лучистого теплообмена с окружающей средой. Во многих случаях на практике – это искомая величина в инженерных тепловых расчетах.