В. П. Исаченко, В.А. Осипова, А. С. Сукомел - Теплопередача (1013600), страница 79
Текст из файла (страница 79)
В частности, изучаемые процессы могут усложняться при наложении электромагнитных полей, что имеет место в практике современной техники. Процессы переноса теплоты теплопроводностью, конвекцвей и молекулярной дкффузней часто (особенно при высоких температурах) сопровождаются процессами теплового излучения. 850 Часть чгтеертая ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ Г .
оа амат адеата» ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО НЗЛуоЛННЕ ое-т. ОпмсАиие пРОцессА Процессы лучистого теплообмена получили широкое распространение в теплотехнике, ядерной энергетике, ракетной технике, металлургии, сушильной технике, хнмической технологии, светотехнике. гелиотехннке и др.
Тепловое излучение представляет собой пропгсс распростраяення внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных воли. Электромагнитными волнамв называют электромагнитные возмущения, исходящие из излучаемого тела и распространяющиеся н ваку>ме со скоростью света с=й !Со ьт/с. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другимя телами они вновь превращаются в энергию теплового движения молекул. Возб>дителями электромагнитных волн являтстсн заряженные материальные частицы, т.
е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебания ионов соответствуют излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением элеитронов, может иметь высокую частоту, если онн входят в тстав атаман и молекул и удерживанлся около своего равновесия значительными сидами.
В металлах многие электроны являются свободными. Поэтому в этом случае нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов и имеет волны равличиой частоты, в том числе волны низкой частоты.
Помимо волновых свойств излучение обладает также и корпускуляриымя свойствами. Корнускулярные свойства состоит в том, что лучистая энергия испускается и поглощается веществами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями в квантами света или фотонами. Испускаемый фотон — частица материн, обладающая энергией, количеством движения и электромагяитиой массой. Поэтому тепловое излучение можно рассматривать как фотонный газ.
Прохождение фотонов через вещество есть процесс поглощения и последующьго испускания энергии фотонов атомами и молекулами этого вещества. Таким образом, излучение имеет двойственный характер, так как обладает свойстовми непрерывности поля электромагнитных волн н свойствамн дттскрептост>Ь типичнымя для фотонов. Синтезом обоих свойств является представление, согласно которому энергия и Импульсы сосредоточиваются в фотояак, а вероятность нахождения их я том илв ивом месте пространства — в волязх.
Соответствентю этому излучение характеризуется длиной волны гх) илн частотой 36! Гзбанвз 10-1 3 еа д.паа» юла» рг,!+о,в! ° (о" 0,8-10 †:О.в )0,2 0,00. П3-' Ввааааа ( 0 1 О 3 3 ! О та з в ( з ( в а 3 в за в па ) 1 30 ' —:2 1О" 2 30 -:-О,я 1О, раащз 3 Ка взчяаааа т-вал!ааааа резачзааахса Уа трзфв ат н тык виды пзчистых потоков; вактоз изпэчаииа Поверхностное (полусферическое) излучение. Тело излучает энергию'в виде непрерывного (сплошного) или прерывистого спектра по длинам волн. Энергия излучения, испускаемая произвольной поверхностью в единицу времени по всевозможным направлениям полупространсгва Ябй колебаний (а=с!а). Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу н различаются лишь данной волны (табл.
(б-(). Количестьенное различие в длине элактромагинтных волн приво. двт. к тому, что обшпе стороны пилений для разных ллнп волн проявляются с различной отчетливостью. Так, квантовые (корпускулярные) сиойства проявляюшя наиболее отчетливо в короткоаолиовои излучении. Наоборот, хзрактерные волновые свойства наиболее отчетливо наблюдаются у радиоволн. Волъшиаство твердых и жидких тел имеет сплпшной (непрерывный) спектр излучения, т.
е. излуча1от энергию всех длин полн от () до аа. К твердым телам, имеющим непрерыввый спектр излучения, отяпюятсн вепроводннки н полупроводники элехтричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхностью, газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения.
Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а Лля газов — еше от толщины слоя и давления. Твердые и жидкие тела имеют значительные поглошательную и взлучательную способности. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвугот лвшь тонкие поверхностные слои! длн непроводииков .тепла они составляют около 1 мм! для проводников тепла — 1 мкм.
Поэтому з этих случаях тепловое кшучевие приближенно можно рассматривать как поверхвоспюе явление. Полупрозрачпые тела (олавлеиый кварц. стекло, оптическая керамика и др., газы и пары) характериауются объемным характером излучення, в котором учзгтвуют все частицы объема вещества Излучение всех теа зависит От темпсрзтуры. С увеличением температуры тела егО энергия налучення унелнчнвается, гак как увеличиваегся вн)тренняя энергия тела. При этом изменяется не только абсолют!!аз величина этой энергии, но и спектральный состав. Лрн увеличении температуры повышается интенсивность коротковолноного излучения н уменьшаетсп интенсивность ллинноаолнового излучения. В пропессах иэлучеяия зависимость от температуры значительно бмьшая, чем в процессах геплопроводности и коинекции, Вследствие этого при высоких температурах основным вилам переноса может быть тепловое излучение. и соответствующая узкому интервалу длив волн от ь до д+г(Х, яазы.
веется потоком монохроматичсского, спектрального иаи однороднрго излучения ((Е„). Суммарное щлучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется и нтегр альпми м гши поп им м потоком излучения (()). Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального иалучеиия: (16-1) где гйг л! гистый поток, испускаемый элементарном площадкой 4(г, Вт. Лучистый поток со всей поверхности выразится интегралом (16-2! Если плотность потока интегрального излучения для всех элементов поверхности пзлучаксщего тела одинакова, то зависимость (16-2) переходит в соотвошение О=ЕЕ.
(16-3) Отногпеиие плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечном малом интервале дчин волн, к величине этого интервала алин волн назывзется спектральной плотностью потока излученияия: зе Е =— лл ' (16-4) Зависимости (16-1! — (!6-3) справедливы также н првмеиительно к монохроматическому излучению. Плотность потока излучения может изменяться по определенным направлениям гылучения. Количество энергии, исвускаемое в определенном иапранлеини 1, определяемым углом гр с нормалью к поверхности л (рис.
!6-!) елищшей злгмензэрной плашздкн в едннииу времеви в пределах элементарного телесного угла бы, называется угловой плотвостью излучения. По определению угловые плотности спектрального и интегрального иавучения выражаются соотношениями лчг„» лд т . (!6-6) Из этих сгютношевий следует, что г(Е =! „йщ (16-7) (!6.3) К очень важным понятиям теории излучения относится и н т е неявность (яркость) излучения.
Интенсивностью излучения называется количество лучистой знерГни, испускаемое в направлении угла В в единицу времени элементарной площадкой в пределах единичного элементарного телесного угла, 363 отнесенное к проекции этой площадки иа плоскостгь ортогональную к направлению излучении (рис. 16-1): д'0 г агяех г х 116-9) х Лр„ии=дксм ига ™саз З ге (16-10) иу„дм ЛХ соз тии соз Ф откуда ощ „= — гх омссаф(Р1 г( а =1 ласозфгд' [16-11) (!6-1лг Е =) ЕгЩ ~ е '= — ) (тих (16-Щ е Я= ) ЯгЩ а Иалучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением (Я, Е> Обычно тело участвует в лучистом тсплообмене с другами телами. Энергия излучения других тел, попадая на поверхность данного тела извне, частично поглощается, частичво отражается, а часть ее проходит сквозь тело.
Количество лучистой энергии, падающее на данное тело плесь 1, и 1 — интенсивности (яркости) спектрального в интеграчьного излучений; ф — угол, состаилеиимй нормалью к площадке и ваиравлением излучения. В общем случае спектральная интенсивность излучения зависит от координат точки М, направления, длины волны и времени. Интегральная величина интенсивности изэ лучения характеризует распределение сумм с марной длн всех длин волн энергии излучения пп всевозможным направлениям в данной точке для выбранного момента времени. Распределение интенсивности излучения по отдельным направлепиим может быть самым различным В частном случае оно может ггб быть одинаковым по всем напрзвлениям.
Излучение, хврактеризующееси пнтеисивЛг" вестью, одинаковой по всем направлениям, называется н з о т р о п н ы м. Если излучение рэс ~а-К К ооредезеиию похолит с поверхности твердого тела, оно иавраосги азлученэ». зывается идеально диффузным излу- ч е н и е и (Л. 180). Понятие интенсивности (яркости) излучения может относиться к отдельным видам излучения, рассматриваамым ниже. Поэтому можно говорить об интенсивности собственного„падающего, эффективного и других излучений. Потоки интегрального н монохроматического излучения связаны следующими зависимостями: в поле излучения, обозначается через С! „или Е' д.
Часть падающей энергии излучения, поглощенной данным телом, называется потоком поглощенного излучения (С! „Е„). При поглощении лучистая энергия вновь превращается во внутреннюю энергию. Плотность потока поглошающей лучвстай энергии Е гз, Вт/мэ; Е„=АЕ [16-14) здесь А — интегральная поглощательная способность тела. Тела, которые поглощают всю падающую на пнх энергию, называнпся а 6 со- йа лютно черным н (А=!). Такое тело воспринимается зрением как черное тело; 7 отсюда происходит название абсолютно черного тела.
Если поверхность поглощает все лучи, кроме световых, она не кажется Л черной, хотя по лучистым свойствам она может быть близка к абсолютно че а солютно черному мэтеьчой с сб« «- телу. поскольку из~ест высокую поглоща- э ч тельную способность(например, лед и снег г — з я э . г— 4=0,95 —:0,96). Соотношение (16-14) мажет ю.". щ' ь, относиться к монохроматнческому излучению, как н последующие зависимости.
Спектральная поглощательная способность Аь в общем случае может изменяться с длиной волны различным образом. В частном случае она может не зависеть от ллпны волны. Тела, для которых спектральная поглощательиая способность не зависит от ллины волны, называются серыми телами (рнс. 16-2). Для серых тел А„=сопя(чС1, так как серые тела поглощают не всю падающую на них лучистую энергию. Часть падающей энергии будет отражаться или пропускаться (проходить) через массу этих тел. Часть вадаюшей энергии, которую понерхпость данного тела отражает обратно окружающим его телам, носит название потока отр аж сии ого излучения, Плотность потока отраженного излучения Еюо Вт/ма, равна: Пб-15) где Р— интегральная отражательная способность тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
