Лучистый теплообмен. Поглощение, отражение и испускание лучистой энергии.

Тепловая энергия нагретого тела всегда частично превращается в лучистую. Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Часть тепловой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Часть энергии, которая отражается, снова попадает на другие (окружающие) тела и поглощается ими. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда превращений излучаемая энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию. В результате этих процессов, связанных с двойным превращением энергии (тепловая – лучистая – тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой темпера- туре этих тел вся система находится в подвижном термодинамическом равновесии. При этом все тела системы также излучают и поглощают лучистые потоки, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу.

Из всего количества падающей на тело энергии (потока) часть ее – поглощается, часть – отражается и часть проходит сквозь тело. На основании закона сохранения энергии:

.

Поделив равенство на Q получим:

,

или

.

Если , то : вся падающая лучистая энергия поглощается телом. Такие тела называют абсолютно черными.

При и вся попадающая лучистая энергия отражается. Если поверхность диффузно отражает (по всевозможным направлениям) все па- дающие на нее лучи, ее называют абсолютно белой.

Если , то : вся падающая энергия полностью проходит через тело. Такие тела называют абсолютно проницаемыми (прозрачными), или диатермичными.

В природе тел с абсолютными свойствами нет; для реальных тел значения , и всегда больше нуля и меньше единицы, и, кроме того, они зависят от длины волны излучения. Тела, поглощательная способность которых (коэффициент поглощения) , называют серыми.

Для поглощения и отражения тепловых лучей большое значение имеет состояние поверхности. Поглощательная способность шероховатых поверхностей значительно выше, чем гладких и полированных.

Количество лучистой энергии (в Вт), проходящей через поверхность тела в 1 с, называют лучистым тепловым потоком, или мощностью излучения . Лучистый поток, отнесенный к единице поверхности, называют плотностью излучения или излучательной способностью , т.е. . Плотность излучения учитывает всю энергию, излучаемую единицей поверхности тела по всем направлениям в пределах полусферы во всем диапазоне длин волн. Поэтому ее иногда называют плотностью полусферического излучения.

Для излучения абсолютно черного тела она может быть вычислена по закону Стефана - Больцмана, Вт/м² :

;

где – универсальная постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67∙ 10^-8 Вт/(м²∙К⁴); – температура тела, К.

Чаще применяют иную форму этого закона:

,

где – излучательная способность (коэффициент излучения) абсолютно черного тела, Вт/(м²∙К⁴).

В применении к серым телам, для которых падающая на них лучистая энергия частично поглощается, а частично отражается и проходит сквозь тело, закон излучения записывают в следующем виде:

,

где – степень черноты, которая характеризует собой отношение излучательной способности серого тела к излучательной способности абсолютно черного тела:

.