Теоретичні основи теплового випромінювання

У всіх тілах, температура яких вища ніж 0⁰К відбувається перетворення теплової енергії в променеву, яка розповсюджується від них в оточуюче середовище. Під час досягнення до поверхні інших тіл променева енергія знову перетворюється в тепло.

Теплове випромінювання являє собою процес розповсюдження енергії у вигляді електромагнітних хвиль. Збудниками цих хвиль є електрично заряджені матеріальні частинки, які входять до складу речовини. Довжина хвиль теплового випромінювання лежить в основному у видимій частині спектру (інфрачервоній) і має довжину 0,8¸40 мк. Ці хвилі відрізняються від видимих світлових хвиль тільки довжиною (довжина світлових хвиль 0,4¸0,8мк).

Тверді тіла характеризуються суцільним спектром випромінювання і здатні випромінювати хвилі всіх довжин за будь-якої температури, однак інтенсивність випромінювання тим більша, чим вища температура.

Рис. 1.6. Схема розподілення променевої енергії, яка падає на тіло

За t > 600⁰С променевий теплообмін між твердими тілами і газом стає домінуючим. Теплове і світлове випромінювання мають однакову природу, і тому описуються однаковими законами: променева енергія розповсюджується в однорідному та ізотропному середовищі прямолінійно.

Слід зауважити, що енергія випромінювання випускається не безперервно, а у вигляді окремих порцій – квантів, носіями яких є елементарні частинки – фотони. Якщо на поверхню тіла (рис. 1.6.) попадає променева енергія в кількості Q_пром Дж/год, то загалом тілом поглинається тільки частина тепла Q_погл; частина теплової енергії Q_відб відбивається від поверхні тіла (кут падіння дорівнює куту відбивання), а частина Q_прох проходить тіло наскрізь.

(1.30)

або в частках від загальної енергію падаючих променів

(1.30 а)

Перша складова рівняння (1.30) характеризує поглинаючу здатність тіла, друга – здатність тіла відбивати енергію, а третя – пропускати.

Позначимо ; ;

Тоді

(1.31.)

Між величинами A, R i D можливі різні співвідношення.

Якщо А=1 (R=D=0), то вся променева енергія, яка падає на тіло, поглинається ним. Таке тіло називають абсолютно чорним.

Якщо R=1 (A=D=0), то вся променева енергія, яка попадає на тіло відбивається ним. Таке тіло називають абсолютно білим.

Якщо D=1 (A=R=0), то вся енергія, яка падає на тіло проходить крізь нього. Таке тіло називають або абсолютно прозорим або діатермічним.

В природі не існує абсолютно чорних, білих та прозорих тіл. Співвідношення між A, R і D залежать від природи тіла, його температури та характера поверхні. Тверді тіла і рідини практично не теплопрозорі: для них D=0 i A+R=1. Гази в своїй більшості діатермічні.

Отже всі тіла, які поглинають, відбивають і пропускають ту чи іншу частину падаючих на них променів називають сірими тілами.

З реальних тіл до абсолютно чорного наближається сажа, яка поглинає 90¸96% від всієї енергії. Найбільш повно відбивають променеву енергію тверді тіла зі світлою полірованою поверхнею. Більшість твердих тіл практично непрозорі, однак майже всі гази, крім багатоатомних, є прозорими.