1.5. Теплове випромінювання

1.5.1. Теоретичні основи теплового випромінювання

В усіх тілах, температура яких вища за 0 К, відбувається перетворення теплової енергії в променеву, яка розповсюджується від них в оточуюче середовище. Під час досягнення поверхні інших тіл променева енергія знову перетворюється в тепло.

Теплове випромінювання є процесом розповсюдження енергії у вигляді електромагнітних хвиль. Збудниками цих хвиль є електрично заряджені матеріальні частинки, які входять до складу речовини. Довжина хвиль теплового випромінювання знаходиться переважно у видимій частині спектра (інфрачервоній) і має довжину 0,8–40 мк. Ці хвилі відрізняються від видимих світлових хвиль тільки довжиною (довжина світлових хвиль 0,4–0,8 мк).

Тверді тіла характеризуються суцільним спектром випромінювання і здатні випромінювати хвилі усіх довжин за будь-якої температури, однак інтенсивність випромінювання тим більша, чим вищою є температура.

Рис. 1.6. Схема розподілення променевої енергії, яка падає на тіло

За t > 600 С променевий теплообмін між твердими тілами і газом стає домінуючим. Теплове і світлове випромінювання мають однакову природу і тому описуються однаковими законами: променева енергія розповсюджується в однорідному та ізотропному середовищах прямолінійно.

Варто зауважити, що енергія випромінювання випускається не безперервно, а у вигляді окремих порцій – квантів, носіями яких є елементарні частинки – фотони. Якщо на поверхню тіла (рис. 1.6) падає променева енергія в кількості Q_пром Дж/год, то загалом тілом поглинається тільки частина тепла Q_погл; частина теплової енергії Q_відб відбивається від поверхні тіла (кут падіння дорівнює куту відбивання), а частина Q_прох проходить тіло наскрізь:

(1.30)

або в частках від загальної енергії падаючих променів:

. (1.30а)

Перша складова рівняння (1.30) характеризує поглинальну здатність тіла, друга – здатність тіла відбивати енергію, а третя – пропускати.

Позначимо ; ; .

Тоді

. (1.31)

Між величинами A, R i D можливі різні співвідношення.

Якщо А = 1 (R = D = 0), то уся променева енергія, яка падає на тіло, поглинається ним. Таке тіло називають абсолютно чорним.

Якщо R = 1 (A = D = 0), то уся променева енергія, яка попадає на тіло, відбивається ним. Таке тіло називають абсолютно білим.

Якщо D = 1 (A = R = 0), то уся енергія, яка падає на тіло, проходить через нього. Таке тіло називають або абсолютно прозорим, або діатермічним.

В природі не існує абсолютно чорних, білих та прозорих тіл. Співвідношення між A, R і D залежить від природи тіла, його температури та характеру поверхні. Тверді тіла і рідини практично не теплопрозорі: для них D = 0 i A + R = 1. Гази здебільшого є діатермічними.

Отже, усі тіла, які поглинають, відбивають і пропускають ту чи іншу частину падаючих на них променів, називають сірими тілами.

З реальних тіл до абсолютно чорного наближається сажа, яка поглинає 90–96 % від усієї енергії. Якнайповніше відбивають променеву енергію тверді тіла зі світлою полірованою поверхнею. Більшість твердих тіл практично непрозорі, однак майже всі гази, крім багатоатомних, є прозорими.