Основные закономерности лучистого теплообмена. Коэффициенты отражения, поглощения и прозрачности. Понятие серого тела, степень черноты. Эффективное излучение.
Теплообмен излучением (или лучистый теплообмен) - это передача энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Существенное отличие лучистого теплообмена от конвекции и теплопроводности заключается в том, что он может протекать при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, т.к. электромагнитное излучение распространяется и в вакууме. Любое тело постоянно излучает электромагнитные волны, а также постоянно получает энергию извне вследствие излучения соседних тел. Интенсивность и спектральный состав излучаемых электромагнитных волн зависят от температуры тела и свойств его поверхности. Если температура тела ниже 500о С, его излучение лежит в инфракрасной области (длина волны l > 800 нм) и невидимо. При более высоких температурах в спектре излучения появляются волны видимого диапазона, но в области температур до 2000о С основную роль в теплообмене играет инфракрасное излучение, поэтому его иногда называют тепловым излучением. Количество энергии, излучаемой с единицы поверхности тела (или падающей на единицу поверхности тела) за единицу времени называется плотностью мощности излучения; обозначим эту величину буквой W, ее размерность Вт/м2. Падающее на тело излучение может частично отражаться, проходить сквозь тело и поглощаться им. Обозначим через A коэффициент поглощения (долю энергии излучения, поглощаемую телом), через B коэффициент прозрачности (долю энергии, прошедшей сквозь тело), и через R коэффициент отражения (долю энергии, отраженной телом). По закону сохранения энергии, очевидно A + B + R = 1. (1) Тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение (A = 1, B = 0, R = 0), называется абсолютно черным телом; тело, полностью отражающее излучение (A = 0, B = 0, R = 1), называется зеркальным, или абсолютно белым; если же A = 0, B = 1, R = 0, то тело называется абсолютно прозрачным, или диатермичным. Абсолютно черных, абсолютно белых и абсолютно прозрачных тел в природе, конечно, не существует, но есть тела, имеющие близкие к ним свойства. При этом надо иметь ввиду, что в видимой и в инфракрасной областях оптические свойства тел могут существенно различаться. В видимой области многие твердые тела и жидкости (стекло, кварц, лед, вода и др.) прозрачны. Для инфракрасного излучения высокой прозрачностью обладают лишь некоторые газы, например воздух, причем его прозрачность заметно уменьшается, если он содержит пары воды, углекислый газ или углеводороды. Твердые тела и жидкости для инфракрасного излучения, как правило, практически непрозрачны. Из этого правила есть важные исключения, например хлористый натрий (поваренная соль) прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны ~ 10 мкм; это свойство используется при изготовлении инфракрасной оптики. Однако таких исключений немного, поэтому в теплофизике для твердых тел и жидкостей обычно можно считать, что B = 0, и A = 1 - R. Поверхности многих тел бывают окрашены в различные цвета; это означает, что в видимом диапазоне их коэффициент отражения сильно зависит от длины волны. Однако в области инфракрасного излучения (которое, как уже говорилось, играет основную роль в теплообмене при не слишком высоких температурах) коэффициент отражения обычно слабо зависит как от цвета поверхности тела, так и от длины волны инфракрасного излучения, поэтому в теплофизике твердые тела и жидкости обычно считают серыми независимо от того, какой цвет они имеют в видимом диапазоне. Для поглощения и отражения тепловых лучей основное значение имеет не цвет, а состояние поверхности тела (полированная поверхность или шероховатая, покрыта пленкой окиси или нет и т.п.). Известный из курса оптики закон Кирхгофа утверждает, что между излучающей и поглощающей способностями тела существует однозначное соответствие. Наибольшее возможное количество энергии (при заданной температуре) излучается абсолютно черным телом, а количество энергии, излучаемой любым другим телом пропорционально коэффициенту поглощения этого тела; по этой причине коэффициент поглощения часто называют степенью черноты серого тела. Согласно закону Стефана-Больцмана, также известному из курса оптики, плотность мощности излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности: W = sT4, (2) где s - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный s = 5.67×10-8 Вт/(м2×К4), называется постоянной Стефана-Больцмана. Коэффициент излучения серого тела можно представить в виде произведения A×s, где безразмерный коэффициент поглощения A (степень черноты) определяется экспериментально и лежит в диапазоне 0 < A < 1. Наибольшую степень черноты имеют поверхности, покрытые платиновой чернью и нефтяной сажей, а наименьшую - полированные металлические поверхности (например, полированное серебро при комнатной температуре отражает 98.5% падающей на него электромагнитной энергии). Таким образом, плотность мощности электромагнитного излучения серого тела может быть вычислена по формуле W = A×s T4 = 5.67×A× (T/100)4 Вт/ м2. (3) При подсчете полной энергии излучения надо учитывать как собственное излучение тела, так и отраженное излучение. Сумма энергий собственного и отраженного излучений называется эффективным излучением и обозначается через Eэф. Для твердых тел и жидкостей, как уже говорилось, коэффициент прозрачности B можно считать равным нулю. Обозначим через E1 энергию собственного излучения, а через A1 его коэффициент поглощения. Если со стороны других тел на данное тело падает излучение с энергией E2, то доля отраженной энергиии составляет (1 - A1 )E2, поэтому эффективное излучение можно записать в виде: Eэф1 = E1 + (1 - A1) E2 = E1 + R1 E2 . (4) На практике приходится решать задачи как интенсификации лучистого теплообмена между телами, так и, наоборот, экранирования от излучения других тел.
|
