Тема 11. Теплове випромінювання.

11.1. Загальні відомості про теплове випромінювання.

Промениста енергія виникає за рахунок енергії інших видів у результаті складних молекулярних і внутрішньоатомних процесів. Природа всіх променів однакова. Вони являють собою електромагнітні хвилі, що поширюються в просторі.

Джерелом теплового випромінювання є внутрішня енергія нагрітого тіла. Кількість променистої енергії в основному залежить від фізичних властивостей і температури випромінюючого тіла. Електромагнітні хвилі розрізняються між собою довжиною хвилі. У залежності від довжини хвилі  промені мають різні властивості.

Найменшою довжиною хвилі володіють космічні промені  = (0,1 – 10)^оА (де ^оА — ангстрем, одиниця довжини, 1^оА = 10^-10м).

Гамма-промені, що випускаються радіоактивними речовинами, мають довжину хвилі до 10^оА ; промені Рентгена –  = (10-200) ^оА; ультрафіолетові промені –  = (200^оА - 0,4 мк (мк — мікрон, 1 мк — 0,001 мм), світлові промені –  = (0,4-0,8)мк, інфрачервоні або теплові промені –  = (0,8 – 400) мк, радіо або електромагнітні промені -  > 400 мк. Із усіх променів найбільший інтерес для теплопередачі представляють теплові промені з  = (0,8 – 40) мк.

Випромінювання властиве всім тілам, і кожне з них випромінює і поглинає енергію безупинно, якщо температура його не дорівнює 0°ДО. При однакових або різних температурах між тілами, розташованими як завгодно в просторі, існує безперервний променистий теплообмін.

При температурній рівновазі тіл кількість променистої енергії, що віддається, буде дорівнює кількості променистої енергії, що поглинається. Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл безперервний. Ці тіла випускають промені всіх довжин хвиль від малих до великих.

Спектр випромінювання газів має лінійчатий характер. Гази випускають промені не всіх довжин хвиль. Таке випромінювання називається селективним (виборчим). Випромінювання газів носить об'ємний характер.

Сумарне випромінювання з поверхні тіла в усіх напрямках напівсферичного простору і по всіх довжинах хвиль спектра називається інтегральним або повним променистим потоком (Q).

Інтегральний променистий потік, випромінюваний одиницею поверхні в усіх напрямках, називається випромінювальною здатністю тіла і позначається

Е = dQ / dF , [Вт/м²] (11.1)

де dQ - елементарний променистий потік, що випускається елементом поверхні d.

Кожне тіло здатне не тільки випромінювати, але і відбивати, поглинати і пропускати через себе падаючі промені від іншого тіла. Якщо позначити загальну кількість променистої енергії, що падає на тіло, через Q, то частина енергії, рівна А, поглинеться тілом, частина, рівна R, відіб'ється, а частина, рівна D, пройде крізь тіло. Звідси

Q = Q_A + Q_R + Q_D , (11.2)

або

A + R + D = 1. (11.3)

Величину А називають коефіцієнтом поглинання. Він являє собою відношення поглиненої променистої енергії до всієї променистої енергії, що падає на тіло. Величину R називають коефіцієнтом відбиття. R є відношення відбитої променистої енергії до усій падаючій.

Величину D називають коефіцієнтом проникності. D є відношення минулої крізь тіло променистої енергії до всієї променистої енергії, що падає на тіло. Для більшості твердих тіл, що практично не пропускають крізь себе променисту енергію, А + R = 1.

Якщо поверхня поглинає всі падаючі на неї промені, тобто А = 1, R = 0 і D = 0, то таку поверхню називають абсолютно чорної. Якщо поверхня відбиває цілком усі падаючі на неї промені, то таку поверхню називають абсолютно білої. При цьому R = 1, А = О, D = 0.. Якщо тіло абсолютне проникливе для теплових променів, то D = 1, R = 0 і A = 0. У природі абсолютно чорних, білих і прозорих тіл не існує, проте поняття про них є дуже важливим для порівняння з реальними поверхнями.

Кварц для теплових променів непрозорий, а для світлових і ультрафіолетових променів прозорий. Кам'яна сіль прозора для теплових променів і непрозора для ультрафіолетових променів. Шибка прозора для світлових променів, а для ультрафіолетових і теплових майже непрозора.

Біла поверхня (тканина, фарба) добре відбиває лише видимі промені, а теплові промені поглинає також добре, як і темна. Таким чином, властивість тіл поглинати або відбивати теплові промені залежать в основному від стану поверхні, а не від її кольору.

Якщо поверхня відбиває промені під тим же кутом, під яким вони падають на неї, то таку поверхню називають дзеркальною. Якщо падаючий промінь при відображенні розщеплюється на безліч променів, що йдуть по всіляких напрямках, то таке відображення називають дифузійним (наприклад поверхня мела).

При дослідженні променистих потоків велике значення має розподіл променистої енергії, що випускається абсолютно чорним тілом по окремих довжинах хвиль спектра. Кожній довжині хвилі променів, при визначеній температурі, відповідає визначена інтенсивність випромінювання - I_s.

Інтенсивність випромінювання або спекnральная (монохроматична) інтенсивність, являє собою щільність променистого потоку тіла для довжин хвиль від  до +d, віднесена до розглянутого інтервалу довжин хвиль d;

I_s = dE_s / d , (11.4)

де I_s - спектральна інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла.