Общие сведения. Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т.е

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т.е. излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до . Некоторые тела излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, т.е. испускают энергию с прерывистым спектром (чистые металлы и газы), которые характеризуются выборочным или селективным излучением.

Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности, а для газов –от толщины газового слоя и давления.

Большинство твердых и жидких тел имеют значительную поглощательную и излучательную способность, поэтому в процессах лучистого теплообмена у них участвуют лишь поверхностные слои. В них тепловое излучение можно рассматривать как поверхностное явление. Газообразные тела имеют меньшее излучение, поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения для них носит объемный характер.

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. Изменение температуры тела вызывает не только изменение абсолютной величины интенсивности излучения, но и изменение спектрального состава или цвета излучения. С повышением температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволновой части спектра.

Зависимость излучения от температуры значительно большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Поэтому при низких температурах преобладающую роль может играть теплообмен за счет конвекции и теплопроводности, а при высоких –основным видом переноса теплоты может быть тепловое излучение.

Сделаем ряд определений. Энергия излучения в единицу времени, относящаяся к узкому интервалу изменений длин волн от до , называемая потоком монохроматического, спектрального или однородного излучения .

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называют интегральным или полным лучистым потоком .

Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела, называют плотностью интегрального излучения.

Вт/м², (3.1)

где –личистый поток, Вт, испускаемый с элемента поверхности , м².

Лучистый поток по всей поверхности будет равен:

Вт, (3.2)

где F –полная поверхность тела, м².

Если величина Е для всех элементов поверхности излучающего тела постоянна, то

Вт. (3.3)

Отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн, к величине этого интервала длин волн носит название спектральной интенсивности излучения.

Вт/м³. (3.4)

В этом случае имеет место излучение энергии одного цвета с единицы поверхности по всем направлениям.

Процесс лучистого теплообмена связан с двойным взаимным превращением энергии (тепловая– лучистая –тепловая).

Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количеством излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии.

Из всего количества падающей на тело энергии , часть ее поглощается, –отражается и – проходит сквозь тело (см.рис.3.1).

Рис. 3.1. Схема распределения падающей лучистой энергии

На основании баланса энергии можно записать:

+ + = (3.5)

Разделим все члены в уравнении (3.5) на , получим:

.

Здесь – поглощательная способность тела; –отража-тельная способность тела; –пропускная способность тела.

Следовательно

А+R+Д= 1. (3.6)

Каждая из этих величин имеет нулевую размерность и изменяется в пределах от 0 до 1.

Если А =1, то R =0 и Д =0. Вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными. Примером абсолютно черного тела может служить отверстие полого тела, где за счет многократного отражения энергия полностью поглощается телом.

Если R =1, то А =0, Д =0. Такие тела называют абсолютно белыми.

Если Д =1, то А =0, R =0. Такие тела называют абсолютно прозрачными.

В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел нет. Для реальных тел значения А, R и Д всегда больше нуля и меньше единицы и, кроме того, они зависят от длины волны излучения.

Тела, поглощательная способность (А) которых от длины волны излучения не зависит, называют серыми. В практических тепловых расчетах большинство тел можно принимать серыми.

Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (Д=0). Для них справедливо уравнение:

А+R=1, (3.7)

из которого следует, что если тело хорошо отражает, то оно плохо поглощает лучистую энергию, и наоборот.

Для поглощения и отражения тепловых лучей большое значение имеет состояние поверхности. Поглощательная способность шероховатых поверхностей значительно выше, чем гладких и полированных. С целью увеличения поглощательной способности обычно поверхность тела покрывают темной шероховатой краской с примесью нефтяной сажи (А=0, 96).

В теплотехнических расчетах за единицу лучистой энергии принимается количество ее, эквивалентное кДж.

Количество энергии, проходящей через единицу поверхности тела в единицу времени, называют поверхностной плотностью лучистого потока Вт/м², Е.

Собственное излучение полностью определяется физическими свойствами и температурой тела.

Плотность потока собственного излучения называют лучеиспускательной способностью тела.

Введем дополнительные обозначения. Рассмотрим тело, лучеиспускательная способность которого равна Е₁. (см.рис.3.2). Извне на это тело падает излучение с поверхностной плотностью потока Е₂–падающее излучение.

Часть падающего излучения в количестве А₁ Е₂ поглощается телом поглощенное излучение. Остальное в количестве (1– А₁)Е₂ отражается –отра-женное излучение.

Рис. 3.2. К определению видов теплового излучения

Собственное излучение тела совместно с отраженным называют эффективным излучением тела Е_эф=Е₁+(1– А₁)Е₂. Это фактическое излучение тела, которое мы ощущаем или измеряем приборами.

При расчете количества теплоты, переданного путем лучеиспускания, наряду с собственным излучением Е₁ надо учитывать поглощаемое телом излучение окружающей среды – А₁ Е₂. Разность этих величин называется результирующим излучением тела.

Е_рез=Е₁– А₁Е₂ =Е_эф – Е₂ = q ₁.