10.4. Теплообмен излучением

Тепловое излучение – это процесс распространения внутренней энергии излучающего тела электромагнитными колебаниями и фотонами. Любые тела, температуры которых выше абсолютного нуля, излучают электромагнитные колебания. Генераторами электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы – электроны и ионы, входящие в состав вещества.

Интенсивность теплового излучения зависит от материала и температуры тела, длины волны, состояния поверхности, а для газов еще от толщины слоя и давления. С возрастанием температуры тела энергия излучения увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела.

В отличие от ранее рассмотренных процессов теплообмена, поток лучистой энергии передается как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Конечный результат такого воздействия и будет количество теплоты, переданной излучением. Тепловое излучение количественно характеризуется полным потоком и плотностью потока.

Суммарная энергия, излучаемая с поверхности тела во всем интервале длин волн спектра в единицу времени, называется интегральным или полным потоком излучения:

где – энергия, излучаемая с единицы поверхности тела в единицу времени по всем направлениям. Величина E зависит только от температуры и физических свойств тела и называется собственным излучением или излучательной способностью. Она является плотностью теплового потока.

Пусть имеется тело, участвующее в лучистом теплообмене с другими телами (рис. 10.3). На поверхность данного тела падает энергия излучения других тел ( ) – падающее излучение. Эта энергия частично поглощается телом , частично отражается и частично проходит сквозь тело ( ). Каждая из этих частей характеризуется соответствующими потоками:

(поглощенного излучения);

(отраженного излучения);

(пропускаемого излучения),

где коэффициенты: – поглощательной способности тела, – отражательной способности тела, – пропускательной способности тела.

В соответствии с законом сохранения энергии имеем:

или

.

Каждый из коэффициентов может меняться от 0 до 1:

• если , то , т.е. тело поглощает всю падающую на них энергию. Такие тела называют абсолютно черными ;

• тело, для которого отражает всю лучистую энергию и называется абсолютно белым;

• тело, для которого , называют абсолютно прозрачным;

• если , то тело называют полупрозрачным.

Как уже отмечалось, каждое тело характеризуется потоком собственного излучения. Его сумма с потоком отраженного излучения, составляет поток эффективного излучения тела: .

10.5. Закон Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость между излучательной способностью абсолютно черного тела от его температуры:

(10.1)

где Вт/(м²·К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана.

Для удобства расчетов выражение (10.1) представляют в виде:

,

где Вт/(м²·К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для реальных тел, т.е. неабсолютно черных (серых тел) плотность теплового потока выражается формулой:

,

где относится уже к серому телу.

Для сопоставления плотностей потоков излучения реального и абсолютно черного тел при одной и той же температуре используют характеристику тела (ε), называемую степенью черноты тела

тогда закон Стефана-Больцмана для серого тела можно записать так:

.