Основы теплопередачи Михеев М.А, Михеева И.М. (1013622), страница 32
Текст из файла (страница 32)
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 температуре этих тел вся система находится в так называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии.
В этом случае все тела системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу. В иды л у чистых потоков. Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность р в единицу времени, называется потоком излучения Я, Вт. Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока излучения Е, Вт/м'. Е = Жцс(р. Деля обе части этого равенства на Д„получаем: Олово+ Яя/Яо+ Яо%о = 1 или А+й+Р=О. (а) Первый член соотношения (а) характеризует собой поглощательную способность А, второй — отражательную способность /с и третий — пропускательную способность тела Р.
Все эти величины имеют нулевую размерность и изменяются лишь в пределах от О до 1. Если А = 1, то Я = О н Р = О; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными. Если /с = 1, то А = О и Р = О; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается. При этом если от- 162 Поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи различных длин волн, поэтому эти характеристики излучещеи лучвотоя энергии. ния также называются интегральными. Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от Х до Х + аь, называется монохроматическим. Пусть из всего количества энергии Я„падающей на тело, часть 9л поглощается, часть Яп отражается и часть Яр проходит сквозь тело (рис. 5-1), так что ал+()и+ао= ао.
ражение правильное,' тела называются зеркальными; если же отражение диффузное — абсолютно белыми. Если О =- 1, то А = О и гс = О; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью проходит сквозь тело. Такие тела называются прозрачными или диатермичными. Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе нет; в применении к реальным телам эти понятия условны. Значения А, )с и 11 зависят от природы тела, его температуры и спектра падающего излучения. Например, воздух для тепловых лучей прозрачен, но при наличии в нем водяных паров или углекислоты он становится полупрозрачным. Твердые тела и некоторые жидкости (например, вода, спирты) для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т.
е. 11 = О, в этом случае А+Я=1. (б) Из соотношения (б) следует, что если тело хорошо отражает лучистую энергию, то оно плохо поглощает, и наоборот. Вместе с этим имеются тела, которые прозрачны лишь для определенных длин волн. Так, например, кварц для тепловых лучей (Х 4 мкм) непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых прозрачен. Каменная соль, наоборот, прозрачна для тепловых и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых оно почти непрозрачно. То же относится и к понятиям поглощения и отражения.
Белая по цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. В жизни это свойство широко используется: белые летние костюмы, белая окраска вагонов-ледников, цистерн и других сооружений, где инсоляция нежелательна. Невидимые же тепловые лучи белые ткань и краска поглощают так же хорошо, как и темные.
Для поглощения и отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых. Для увеличения поглощательной способности тел их поверхность покрывается темной шероховатой краской. Для этой цели обычно применяется нефтяная сажа. Но и сажа поглощает всего лишь 90 — 96еА падающей лучистой энергии, зто еще не абсолютно черное тело.
Такого тела в природе нет, но его можно создать искусственно. Свойством абсолютно черного тела обладает отверстие в стенке полого тела. Для этого отверстия А = 1, ибо можно считать, что энергия луча, попадающего в это отверстие, полностью поглощается внутри полого тела (рис. 5-2). В дальнейшем все величины, относящиеся к абсолютно черному телу, мы будем отмечать индексом О.
' Правильным называется такое отражение, которое следует законам геометрической оптики. 163 Рис. 5-2. Ход луча в полом теле. Рис. о-з. К определению видов теплового излучении. щаем или измеряем приборами„оно больше собственного на величину (1 — А,) Е,.
Эффективное излучение Е„ р зависит от физических свойств и температуры не только данного излучающего тела, но и других окружающих его тел, а также от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве. Так как падающее излучение Е, определяется температурой и свойствами окружающих тел, то физические качества собственного и отраженного излучения неодинаковы, их спектры различны. Однако для тепловых расчетов это различие часто не имеет значения, если рассматривается лишь энергетическая сторона процесса. Результирующее излучение Ер представляет собой разность между собственным излучением тела и той частью падающего внешнего излучения Е„которая поглощается данным телом, последняя равна А,Е,.
Таким образом: Е „=Е,— А,Е,. Величина Ер определяет поток энергии, который данное тело передает окружающим его телам в процессе лучистого теплообмена. Если величина Ер„оказывается отрицательной (Ер ~0), это значит, что тело в итоге лучистого теплообмена получает энергию. Теперь рассмотрим основные законы теплового излучения. 164 Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы поверхности тела отводится лучистый поток энергии Е„Вт!мв, Он полностью определяется температурой и физическими свойствами тела.
Это собственное излучение тела. Однако обычно со стороны других тел на рассматриваемое тело падает лучистая энергия в количестве Е„это подающее излучение. Часть падающего излучения в количестве А,Е, поглощается телом — поглощенное излучение; остальное в количестве (1 — А,) Е, отражается — отраркенное излучение (рис. 5-3). Собственное излучение тела в сумме с отраженным называется эффективным излучением тела, Е,еф — — Е, + + (1 — А,) Е,; это фактическое излучение тела, которое мы ощу- 0 1 г 0 4 0 0 Г 0 мкм (г) 3 а к о н П л а н к а. Собственное излучение Е, — это количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени для всех длин волн от Л = 0 до Л = оо.
Однако для детального изучения явления важно также знать закон распределения энергии излучения по длинам волн при различных температурах Ех = 1(Л, Т). Величина Ез представляет собой отношение плотности потока излучения, испускаемого в интервале длин волн от Л до Л + Ю„к рассматриваемому интервалу длин волн Ех = о(ЕЛ1Л (в) и называется спектральной плотностью потока излучения.
Закон изменения спектральной плотности потока излучения от длины волны и температуры для абсолютно черного тела Планку удалось установить теоретически: о,Л о Гол 10 Еох — ', (5-1) очаг 1 20 где Л вЂ” длина волны, м; Т вЂ” абсолютная температура тела, К; 00 с, и с, — постоянные излучения, соответственно равные к 10 3,74 10 'о Вт м' и 1,44 10 м.К.
На рис. 5-4 закон Планка 4 10 ~ представлен графически, Из рисунка видно, что при Л вЂ” 0 плотность потока излучения стремится л к нулю. С увеличением Л растет 000 Еоз и при некотором значении Л„,„, достигает своего максимума, за- тЕМ убЫВаЕт И Прн Л -+ со СНОВа р„о, 5.4. Зависимость Еоь=((Л, стремится к нулю. С повышением Т) по закону Планка. температуры максимум плотности потока излучения смещается в сторону более коротких волн.
Связь между температурой Т и Л„,„, устанавливается законом Вина: Л„„,Т=2,9.10 з. Единица измерения произведения Л„,„, Т вЂ” м К. На рис. 5-4 площадь, ограниченная кривой Т = сопз(, осью абсцисс и ординатами Л и Л + пЛ (на рисунке эта площадь заштрихована), дает количество энергии йЕ„излучаемое участком длин волн Ю; следовательно, йЕ, = ЕокйЛ.
Полное же количество лучистой энергии, излучаемое всеми длинами волн, очевидно, равно: Е,= ~Е~~Й.. (д) о Из рисунка также видно, что при температурах, с какими имеют дело в технике, энергия видимого излучения (Л = 0,4 —:О,Р мкм) 1бз по сравнению с энергией инфракрасного излучения (Л = = 0,8 —:800 мкм) пренебрежимо мала. Для реальных тел изменение плотности потока излучения от длины волны и температуры может быть установлено только на основе опытного изучения их спектра. При этом, если спектр излучения непрерывен и кривая Ех = 7' (Л) подобна соответствующей кривой для абсолютно черного тела при той же температуре, т. е. если для всех длин волн Ех(~Е,х = сопз1, то такое излучение называется серым.
Опыт показывает, что излучение многих технических материалов практически можно рассматривать как серое излучение. Формула (5-1) определяет распределение спектральной плотности потока излучения черного тела по длинам волны и температурам.
Иногда при описании удобно использовать не длины волн Л, а соответствующие им частоты т = с!Л. При этом спектральная плотность потока излучения Е, относится к единичному интервалу частот Е =йЕ!Ы, а закон Планка принимает вид: 2пат3!с~ ха г (5-1а) где с — скорость света, мыс; Ь и А — постоянные Планка и Больцмана, равные соответственно 6,62 10 '4 Дж с и 1,38 10 м Дж!К. Закон Стефана — Больцмана. Закон был установлен опытным путем Стефаном (1879 г.) и обоснован теоретически Больцманом (1881 г.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
