Перенос тепла тепловым излучением – законы Планка, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта

Перенос тепла тепловым излучением – законы Планка, Стефана – Больцмана, Кирхгофа, Ламберта.

Лучистый теплообмен (теплообмен излучением) мо­жет происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Отсутствие непосредственного соприкосновения тел, участвующих в теплообмене, а также отсутствие теплоносителя в виде газа или жидкости является характерной особенностью лучистого тепло­обмена.

Излучение свойственно всем телам, т. е. наряду с прямым потоком лучистой энергии от более нагретых тел к менее нагретым всегда имеется обратный поток энергии от менее нагретых тел к более нагре­тым. Конечный результат такого обмена и представляет собой коли­чество переданной путем излучения теплоты.

Единицей измерения энергии, переданной излучением, является джоуль. Количество энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени, называется поверхностной плотностью излучения и обозначается Е, Вт / м². Если площадь поверхности тела S, то ES = Q представляет собой общее количество энергии, излучаемой телом в единицу времени, называемое лучистым потоком.

Излучение тел обусловлено сложными внутриатомными процесса­ми, в результате которых энергия других видов преобразуется в лучистую энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн, известных под названием рентгеновских, ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей, которые излучаются телом по всем направлениям и прямолинейно распространяются в окружающем пространстве со скоростью света. Для температур, применяемых в теп­лотехнике, спектр теплового излучения охватывает диапазон длин волн примерно от 0,4 до 800 м км и включает световые (0,4 0,8 мкм) и инфракрасные (0.8 800 мкм) лучи.

Тепловое излучение — результат внутриатомных процессов, обуслов­ленных влиянием температуры, почему излучение и называется также температурным. При нагреве тела тепловая энергия переходит в лучи­стую энергию.

Согласно электромагнитной теории света, носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны, излучаемые телами. Эти волны в изотропной среде или вакууме распространяются прямолинейно со скоростью света, подчиняясь оптическим законам преломления, погло­щения и отражения. Колебания электромагнитных волн направлены перпендикулярно к пути луча. При взаимодействии с веществом носите­ли лучистой энергии проявляют себя как фотоны (кванты энергии), об­ладающие характером движущихся частиц.

Общий поток лучистой энергии можно рассматривать как:

Q = Q_R + Q_A +Q_D

_или

Q_R/Q + Q_A/Q + Q_D/Q = R + A + D

где   R= Q_R/Q—доля отражаемого телом лучистого потока, называе­мая отражательной способностью тела;

A= Q_A/Q—доля поглощаемого телом лучистого потока — поглощательной способностью тела;

D=Q_D/Q—доля пропускаемого телом через себя лучистого пото­ка — пропускательной способностью.

Значение этих коэффициентов зависит от природы тела, состояния его поверхности, температуры тела и спектрального характера или вида излучения.

Следует различать зеркальное отражение лучей от диффузного. Если при отражении поверхностью луч остается в одной плоскости, подчиняясь закону равенства углов падения и отражения, то такую по­верхность называют зеркальной. Однако чаще всего поверхность тела является матовой и шероховатой и луч разла­гается на множество лучей, диффузно отража­ющихся во многих направлениях.

Тело, полностью отражающее все падаю­щие на него лучи, называются белым; для него R=1 и A=0=D. Если поверхность тела диффузно отражает все падающие лучи и при том равномерно во всех направлениях, ее называ­ют абсолютно белой.

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называют абсолютно черным; для него A = 1 и R=0=D. Абсолютно черных и белых тел в природе не существует.

Тело, пропускающее через себя полностью все лучи без отражения, и поглощения, назы­вают диатермичным; для него D=1 и А=0=R.

Закон Планка.

Зависимость интенсивности излучения черного тела от длины волны и температуры устанавливается законом Планка. В 1900 г. М. Планк, разрабатывая квантовую теорию излучения, тео­ретически вывел следующий закон распределения энергии, излучаемой абсолютно черным телом в зависимости от длин волн:

Е_0l = С₁l^-5(е^С2/lТ-1)^-1             вт/м³

где Е_0l—спектральная интенсивность излучения абсолютно черного

тела, вт/м³ или вт/(м²•мкм)

l— длина волны, м;

Т—абсолютная температура тела, °К;

е— основание натуральных логарифмов;

С₁ = 3,68×10 ^-16 вт/м² и С₂=1,67×10 ^-2 м×^°К—постоянные.

Графически закон Планка изображен на рис.1. Из графика вид­но, что начиная от нуля интенсивность излучения быстро растет с увеличением длины волны, достигая макси­мума при некотором ее значении, пос­ле чего убывает.

Рис.1. Излучение абсолютно чер­ного тела в зависимости от длины волны при разных температурах.