ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на другое тело их энергия частично по­глощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Так осуществляется лу­чистый теплообмен между телами.

Тепловое излучение как процесс рас­пространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны λи часто­той колебаний ν = c/λ, где с — скорость света (в вакууме с = 3-10⁸м/с).

Все виды электромагнитного излуче­ния имеют одинаковую природу, поэтому классификация излучения по длинам волн в зависимости от производимого ими эффекта носит лишь условный ха­рактер. При температурах, с какими обычно имеют дело в технике, основное количество энергии излучается при λ = 0,8-80 мкм. Эти лучи принято назы­вать тепловыми (инфракрасными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую—волны видимого (свето­вого, 0,4—0,8 мкм) и ультрафиоле­тового излучения.

Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью по­тока интегрального излучения Е, Вт/м². Она определяется природой данного тела и его температурой. Это собственное излучение тела.

Часть энергии излучения E_пад, падаю­щей на тело (рис. 11.1),поглощается (Е_А), часть отражается (Е_R) и часть проникает сквозь него (Е_D).

Таким образом, E_A +E_R+E_D =E_пад [119]

Это уравнение теплового баланса можно записать в безразмерной форме:

А + R +D = 1 [120]

Величина А = Е_А/Е_падназывается коэф­фициентом поглощения, R=Е_R/ Е_пад— коэффициентом отражен и я, D = Е_D/Е_пад— коэффициен­том пропускания.

Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолют­но черным. Для этого тела А = 1 . Те­ла, для которых коэффициент А < 1 и не зависит от длины волны падающего из­лучения, называются серыми. Для абсолютно белого тела R= 1, для абсолютно проз рачного D = 1.

Если поверхность поглощает тепло­вые лучи, но не поглощает световые, она не кажется черной. Более того, наше зрение может воспринимать такую по­верхность как белую, например снег, для которого A = 0,98. Стекло, прозрачное в видимой части спектра, почти не проз­рачно

для тепловых лучей (A =0,94).

Твердые и жидкие тела в большинст­ве излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до , т. е. имеют сплошной спектр излучения (хотя на­ибольшее количество энергии испускает­ся в пределах длин волн от 0,8 до 80 мкм). Чистые (неокисленные) метал­лы и газы характеризуются выбороч­ным — селективным излучени­ем, т. е. излучают энергию только опре­деленных длин волн.

В большинстве твердых и жидких тел поглощение тепловых лучей завершается в тонком поверхностном слое, т. е. не зависит от толщины тела. Для этих тел тепловое излучение обычно рассматрива­ется как поверхностное явление. В газе в силу значительно меньшей концентра­ции молекул процесс лучистого теплооб­мена носит объемный характер. Коэффи­циент поглощения газа зависит от разме­ров {«толщины») газового объема и дав­ления газа, т. е. концентрации поглоща­ющих молекул.

Сумма потоков собственного и отра­женного телом излучения называется его эффективным излучением: E_эфф =E +RE_пад [121]

Суммарный процесс взаимного испу­скания, поглощения, отражения и пропу­скания

энергии излучения в системах тел называется лучистым теплооб­меном.

Поверхностная плотность потока ин­тегрального излучения абсолютно черно­го тела в зависимости от его температу­ры описывается законом Стефана — Больцмана:

E ₀ = σ_oT ⁴. [122]

Здесь σ_o 5,67.10^-8 Вт/(м².К⁴) —по­стоянная Стефана — Больцмана. Для технических расчетов закон Стефана — Больцмана обычно записывают в виде

Е₀ = С₀(T/100)⁴, [123]

где С_o = σ_o^.10⁸ = 5,67 Вт/(м^2.К⁴) назы­вается коэффициентом излуче­ния абсолютно черного тела.

Тела, с которыми мы имеем дело на практике, излучают меньше тепловой энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре.

Отношение поверхностной плотности потока собственного интегрального излу­чения Е данного тела к поверхностной плотности потока интегрального излуче­ния Е_о абсолютно черного тела при той же температуре называется степенью черноты этого тела:

ε= Е/Е_o). [124]

Степень черноты е меняется для различ­ных тел от нуля до единицы в зависимо­сти от материала, состояния поверхности и температуры. Используя понятие степе­ни черноты, можно записать закон Сте­фана— Больцмана для реального тела:

E = εE_o = εC_o(T/100)⁴ = C(T/100)⁴ [125]

Здесь С =εC_o коэффициент излучения реального тела, Вт/(м^{2 .}К⁴)-

Согласно закону Кирхгофа степень черноты любого тела в состоянии термо­динамического равновесия численно рав­на его коэффициенту поглощения при той же температуре, т.е. ε = A. В со­ответствии с этим законом отношение энергии излучения к коэффициенту по­глощения (Е/А) не зависит от природы тела и равно энергии излучения Е_о абсолютно черного тела при той же темпера­туре. Чем больше коэффициент поглоще­ния, тем больше и энергия излучения этого тела при заданной температуре. Если тело мало излучает, то оно мало и поглощает. Абсолютно белое тело не способно ни излучать, ни поглощать энергию.