Теплообмен излучением
Теплообмен излучением
Законы теплового излучения
Тепловое излучение является по своей природе процессом распространения электромагнитных волн. Теплообменом излуче нием называется перенос энергии в форме электромагнитных колебаний (электромагнитных волн).
Все тела непрерывно посылают в окружающее их протранство электромагнитные волны различной частоты (различной длины). Это электромагнитное излучение воз: икает в результате возбуждения колебаний в молекулах атомах тела под действием их теплового движения и поэтому называется тепловым излучением. Оно характеризуется спектром частот, который соответствует энергетическому уровню структурных частиц излучающего вещества, определяемому его температурой. Интегральное тепловое излучение тел одинаковой температуры определяется их атомной и молекулярной структурой, а также формой и состоянием поверхности тел, т. е. физическими свойствами среды. Носителем теплового излучения являются электромагнитные волны, которые распространяются в однородной изотропной среде или вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики. Электромагнитные волны характеризуются длиной волны l и частотой колебаний n, которые связаны между собой соотношением ln = с, а энергия одного кванта e=hn.
Здесь: с — скорость света, равная в абсолютном вакууме 2,997925×108 м/с, а h = 6,626196•10~34 Дж /сек или Вт — постоянная Планка.
В зависимости от диапазона длин волн такие излучения известны под разными названиями: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные лучи, радиоволны:
| Длина волны | Вид излучения |
| 0,05×10-6 мкм | Рекомендуемые материалыFREE Маран Программная инженерия Техническое задание Российско-белорусское сотрудничество в области торгово-экономических отношений 2015-2022 гг. -71% 2022г Вариант 6 - ДЗ №1 + №2 - ТФКП + Ряды Фурье Элтех 2022г. Домашнее задание №2 "Расчет электрической цепи переменного тока" Линал 2022 ИУ-РЛ-БМТ Космическое |
| (5-5-1,0) • 10-6 мкм | g-излучение |
| 10-6-20 • 10 3 мкм | Рентгеновское |
| 20• 10 3—0, 4 мкм | Ультрафиолетовое |
| 0,4—0,8 мкм | Видимое |
| 0,8 мкм—0,8 мм- | Тепловое (инфракрасное) |
| 0,2 мм—X км | Радиоволны |
Это деление сложилось исторически, в действительности какой- либо резкой границы по длинам волн не существует. Распределение энергии по длинам волн и частотам в спектре излучающего тела связано с температурным уровнем и физической структурой тела.
Для теории лучистого теплообмена интерес представляет излучение, возникновение которого определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. В настоящее время принято считать, что тепловое излучение занимает широкую область длин волн—от 0,72 до 1000 мдм, расположенную между красной границей видимого спектра и границей коротковолновой части миллиметрового диапазона электромагнитных волн. В табл. представлено условное разбиение инфракрасного спектра на три области. Там же приведены в соответствии с интервалом длин волн диапазоны температур абсолютно черного тела, имеющего максимум излучения при указанной длине волны.
| Излучение | Длина волн, мкм | Температура оК | Излучение | Длина волн, мкм | Температура оК |
| Видимый свет | 0,3—0,72 | Более 4144 | Далекое инфра- инфракрасное излучение | 5,6—1000 | 533-273 |
| Близкое инфракрасное излучение | 0,72—1,5 | 4144—1922 | Миллиметровые волны | ||
| Среднее инфракрасное излучение | 1,5—5,6 | 1922—533 | 1000 и выше |
Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока излучения Е = dQ/dF, Вт/м2, Поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи различных длин волн, поэтому эти характеристики излучения также называются интегральными.
При попадании лучистого потока энергии Qo на поверхность тела, часть этой энергии QA поглощается и превращается в тепловую энергию, часть QR отражается, часть QD проходит (пропускается) сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию. В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным 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. При одинаковой температуре этих тел вся система находится в так называемом тепловом или термодинамическом равновесии.
|
Схема распределения Падающего на тело потока лучистой энергии | В этом случае все тела системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу. Падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Для количественной оценки каждой части вводят следующие понятия. |
Отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверхность тела, называют отражательной способностью тела:
R=Eотр/Епад= QR/Qo
Отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела:
А=Епогл/Епад= QA/Qo
Отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью тела:
D=Епр/Епад= QD/Qo
В соответствии с законом сохранения энергии А+R+D=1. В зависимости от физических свойств веществ одно или два слагаемых в уравнении этого уравнения могут быть равны нулю.
Если D=0 (непрозрачное тело), то А+R = 1. Падающий поток частично поглощается, частично отражается. Подавляющее большинство твердых тел и жидкостей непрозрачно
Когда R=D=0, то А =1, тело поглощает всю падающую на него энергию, ничего не отражает и не пропускает. Тело, поглощающее всю энергию падающего на него электромагнитного излучения, называется абсолютно черным.
В случае D=А = 0, R=1, тело отражает всю падающую на него энергию. Тело отражающее всю падающее на него энергию (излучение) называется абсолютно белым.
Когда А =R=0, то D=1. Тело пропускает всю падающую на него энергию (излучение). Такое тело называется абсолютно прозрачным, или диатермичным.
Бесплатная лекция: "6.1 Особенности древнерусской культуры" также доступна.
«Абсолютных» по свойствам тел в природе не существует, хотя имеются тела, близкие по своим свойствам к абсолютным. Например, двухатомные газы диатермичны.
|
Модель абсолютно черного тела. | Почти все тепловые лучи отражает тщательно отполированная медь. 90-:-96% падающей энергии поглощает нефтяная сажа. Моделью абсолютно черного тела служит маленькое отверстие {Fо/F <<1), в оболочке полого тела, при этом вся попадающая в него лучистая энергия после многократного отражения-поглощения вся поглощается. Можно считать, что вся энергия луча, попадающего в это отверстие, полностью поглощается стенками тела. |
Абсолютно черное тело поглощает полностью любое падающее на него тепловое излучение. Свойства реальных тел в большей или меньшей степени отклоняются от свойств абсолютно черного тела. Существует некоторое распределение энергии по частоте (длинам волн) излучения, соответствующее максимально возможному тепловому излучению тела для заданной температуры. Распределение по длинам волн энергии излучения абсолютно черного тела однозначно определяется лишь его температурой. Тело, обладающее таким спектром, называется абсолютно черным.
Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от l до l + dl, называется монохроматическим.
