Теория тепломассообмена Э.Р. Эккерт Р.М. Дрейк под ред. Лыкова (1013696), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Можно заметить, что большая часть теплового излучения имеет длины,вол~и за ~переделами видимой части. Этот участок с длинами волн, ббльшими, чем длины ~волн света, называется им ф р акр а спы м. В вакууме в однородной среде излучение распространяется по прямым линиям. Однако когда луч попадает на поверхность раздела между двумя ~различными средами, он .распадается на две части.
Одна часть отражается от поверхности раздела, а д~ругая проникает внутрь второй среды. Отражение происходит таким образом, что угол р„ между отраженным лучом и ~нормалью к ~поверхности равен углу ~ь образованному |падающим лучом и той же нормалью, и что падающий луч, отоаженный луч и нормаль к поверх~ности раздела лежат в одной плоскости (рис. 13-2). Луч, проходящий ~во вторую среду, преломляется так, что отношение синуса угла р; к синусу угла ~ь между проникающим лучом и нормалью к .поверхности равно отношению показателей преломления второй среды к первой, через которую луч ~проходит до того, как попадает на 'поверх28в 435 лви ра ятлхтлллаг Иерелтиие рауиаеаачм инФраираеиае иллучеиие л ет Видимми' ерелт яйаигхатаггилеллктэ; иелучелие 'и-лучи -У-лучи л Валтелгрема.т 1ВВ 1 .1В Рис.
13-2. Отражение и преломление луча на поверхно- сти Рис. 13-1. Длины волн различных электромагнитных колебаний. Количество энергии, .переноонмой излучением, не изменяется ~при прохождении лучей через вакуум. Когда же радиация ра1сп1ростра~няется ~в другой среде, энергия обычайно уменьшается ~в направлении .расп~ространения, так как она частично поглощается или рассеивается. Поток энергии может также увеличиватыся в направлении лучей, когда молекулы, из которых состоит данная среда, сами излучают. Для воздуха и ~многих других газов поглощение и излучение инфракрасной,рад~нации очень слабы, так что такие газы ~в большинстве случаев можно считать с достаточным приближением непоглощающей н неизлучающей средой.
Рассмотрим, что происходит с лучистой энергией, попадающей ~на поверхность раздела между двумя средами. Излучение распростра|няется через среду 1 по,направлению к поверхности раздела. Поток энергии, падающий ~в единицу:времени на единицу площади поверхности раздела, называется падаю щи м излучением или иррадиацией и может быть обозначен через Н. Часть радиации отраз~ится обратно в среду 1. Энергию, покидающую поверх. 43б ность раздела. Законы отражения и,преломления справедливы также для ~пучков, состоящих из болышого количества лучей, когда они отражаются от абсолютно плоской поверх~ности. Такое отражение называется зеркальны м или обычным.
От шероховатых поверхностей 1падающий пучок лучей отражается ~по всем направлениям. Такой впд отражения называется рассеян ны'м от р а же и песк При расчетах теплообмена интересуются определением количества энергии, которое передаегся излучением, ибсть раздела с отраженным излучением в единицу времени с ели~нины ~поверхности, обозначим через )сН. )с показывает отношение отраженного излучения к,падающему и называется от р а ж ат е л ь н о й с п о:с о б н о с т ь ю. Остальная часть излучения пронвкает через поверхность раздела в среду 2. Если среда 2 поглощает излучение, то часть его будет ею поглощена и величину ~поглощенной части можно обозначить через АН, где А — отношение поглощенного излученная ~к падающему — назьгвается п о гл ош а тел ь н о й с~п особ ностью. Оставшаяся часть энергии излучения покинет среду 2 через ее поверхности.
Эту величину можно обозначить через РН, где Р†отношен прошедшего излучения к падающему — называемся и р опускательной способностью. Из закона сохранения энергии следует, что (13-1) )с + А+ Р = 1. Параметры )с, А и Р за~висят от свойств да~нных двух сред 1, 2 и от структуры поверхности раздела. В дальнейшем рассмотрении средой 1 будет считаться ~воздух. Замена воздуха другим газом меняет величины этих параметров очень нез~начительно. Твердые и жидкие тела поглощают ~практически,все инфракрасное излучение, проникающее через их .'поверхность, в пределах очень тонкого слоя.
Для проводников этот слой имеет величину порядка 1 мк. Непроводники, за редким исключением, поглощают практически ~все излучение в слоях толщи~ной порядка 1,27 мм [Л. 243). Толщина материалов, применяемых в технике,,почти всегда больше этих величин, и уравнение (!3-!),в этом случае может быть упрощено: (13-2) Послед~нее уравнение справедливо почти для всех твердых и жидких тел в ин~фракрасной области. Упрощенно часто говорят о,поглощающей поверхности, хотя в действительности поглощение происходит,в слоях малой, но конечной толщины. С другой стороны, обнаружено, что газы отражают очень мало излучен~ия, ~попадающего на поверхность раздела их с,воздухом или д~ругим газом. Однако они обычно пропускают заметное ~количество излучения даже в слоях довольно большой толщины.
Поэтому для газов величи- 437 Мой )т' можно обычно пренебречь ~вследствие ес малости и уравнение А+Р=1. (1 3-2а) будет выражать их поведение по отношению к ~внешнему излучению. При определенной абсолютной температуре большинство сред становится источником теплового излучения. Если считать среду 2 излучающей,то поток энергии излучения будет проходить через поверхность, раздела в среду у в направлении, противоположном падающему излучению.
Поток ~энергии, проходящий через единицу площади,поверх~ности раздела сред а единицу времени, генерируемый излучением, испускаемым средой 2, называется и злу чат е л ь н о й с'п ос о бы о с т ь ю и обозначается буквой е. Законы, описывающие излучение тела, особенно просты, если никакое излучение ~не отображается от его,поверхности (яс=О; А=~1). Такое тело называется абсолютно черным тел о м. Это название обязано свои~м происхождением тому, что поверх~ность, поглошающая ~эсе световые лучи, ~воспринимается глазом, как черная. Одна~ко поверхность может поглотить |практически,все тепловое излучение, не поглощая всех световых лучей, и поэтому на взгляд не покажется черной.
Например, побеленная стена является почти черной для инфракрасного излучения. Абсолютно черных поверхностей ~не существует ~в:природе, так как определенный процент падающего излучения всегда отражается, но сугцесввуют такие поверхности, которые отражают лишь очень малую часть падающего излучения. Поверхностью почти абсолютно черной для и~ифракрасного излучения является снег, поглощательная способность которого ~равна 0,985 для теплового излучения тела, температура которого не слишком высока.
Хотя в лрироде нет абсолютно черных поверхностей, понятие о черном теле очень полезно, так как законы, управляющие его излучением, сравнительно просты и, кроме того, это понятие дает возможность доказать, что в природе яе существует таких поверхностей, которые излучают больше тепла, чем черная, Это и есть содержание закона Кирхгофа. Для того чтобы доказать закон Кирхгофа, рассмотрим пустое пространство (рис. 13-3), стенки которого имеют одинаковую температуру. Пространство, закрытое стенками, может быть вакуумом, Стенки этой замкнутой поверхности будут излу- 438 чать. Это излучение будет частично отражаться и, таким образом, многократно перемещаться в указанном пространстве.
Поместим маленькое тело 1 ~в форме д~иска ~внутри этого объема. Если диск достаточно мал, мы считаем, что излучение ~в замкнутой поверхности изменяется только на бесконечно малую ~величину благодаря:присутствию диска. Допустим, что диск имеет черные поверхности и его температура .равна температуре стенок замжнутой поверхности. Количество тепла, излучаемого в единицу времени единицей;поверхности черного тела 1, обозначим еа. Из сказанного сразу следует, что количество тепла, попадающего на поверхность тела 1 в единицу времени на единицу площади, также равно еа. Действительно, в вакууме или системе, находящейся в состоянии теплового рав- на новесия, тело 1 может обмениваться теплом с окружающей средой толь- 1 ко путем излучения.
Если бы коли- 4~~ чество тепла, падающего на поверхность тела 1 и,поглощенного им (А= )), отличалось от количества тепла, которое им излучается, то тело охлаждалось бы или нагреваРис. 13-3. К выводу закона Киркгофа. Однако изменение теьапературы в ту или иную сторону невозможно согласно |второму закону термодинамики, по которому н|икакие температурные различия не могут возникнуть самопроизвольно в замкнутой системе, .когда она находится в состоянии теплового равновесия. Изменяя ,положение и ориентацию черного диска 1, легко доказать, что в черской за~мкнутой поверхности с одинаковой температурой радиация, попадающая на единицу поверхности, ~не зависит от положвния и ориентации этой поверхности.
Такое излучение можно ~наз~вать изотропным. Теперь уберем тело 1 и заменим его телом 2, которое также имеет форму маленького диска, ио состоит из материала с,коэффициентом поглощения А. Энергия излучения, падающая на поверхность этого тела, опять равна аа. Тело поглощает количество энергии Аеь Энергия излучения е тела 2 должна иметь такое же значение в соответствии со вторым закопаем термодинамики: о = АГа. (1 3-3) 439 Это и есть математическое выражение закона Кирхгофа. Другими словами, отношение излучателыной способности е любого тела,к излучателыной способности абсолютно черного тела при той же температуре равно поглощательной способности первого тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
