Тепловое излучение. 
Термодинамика и теория теплообмена

Общие сведения

Под излучением (радиацией) понимают испускание и распространение электромагнитных волн любого вида. В зависимости от длины волны X различают у-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые, световые лучи (видимое излучение), инфракрасные лучи и радиоволны.

В курсе теплопередачи особый интерес представляет тепловое излучение, т. е. излучение, осуществляемое такими лучами, энергия которых при поглощении их телами полностью или частично расходуется на увеличение внутренней энергии поглощающего тела. К тепловому излучению относится главным образом инфракрасное излучение длиной волны X = 0,8-^800 мкм.

Всякое тело, если только температура его отлична от абсолютного нуля, способно посылать в окружающее пространство излучение. Поэтому любое тело излучает на окружающие его тела и в то же время находится под воздействием излучения этих тел. Отметим, что большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения. Это значит, что они обладают способностью излучать лучи всех длин волн.

Лучистым потоком (или потоком излучения) называют отношение лучистой энергии ко времени излучения, Вт:

где й(2 — энергия излучения, Дж; т — время, с.

Если лучистый поток, излучаемый произвольной поверхностью во всех направлениях (т.е. в пределах полусферы произвольного радиуса), осуществляется в узком интервале длин волн от X до X + (IX, то его называют потоком монохроматического излучения'.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным, или полным, потоком излучения Ф и определяется по (10.1).

Интегральный ноток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения или излучательности, Вт/м²:

где А — площадь излучающей поверхности.

Формулу (10.3) можно применять и при монохроматическом излучении. Если на поверхность тела падает тепловое монохроматическое излучение, то в общем случае часть В_А этого излучения поглотится телом (т.е. превратится в другую форму энергии в результате взаимодействия с веществом), часть будет отражена и часть И_} пройдет сквозь тело. Если принять, что падающее на тело излучение равно единице, то.

где Ву — коэффициент поглощения тела; — коэффициент отражения тела; — коэффициент пропускания тела.

Когда в пределах спектра величины В, В, О остаются постоянными, т. е. не зависят от длины волны, то потребности в индексах нет. В этом случае.

т.е. написанное равенство относится к сложному излучению.

Если В = 1 (Е = И = 0), то тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение, независимо от длины волны, направления падения и состояния поляризации излучения называется черным телом, или полным излучателем.

Если Е= 1 (В = О = 0), то падающее на тело излучение полностью отражается. В случае если поверхность тела шероховатая, то лучи отражаются рассеянно (диффузное отражение) и тело называют белым; если поверхность тела гладкая и отражение следует законам геометрической оптики, то тело (поверхность) называют зеркальным.

В случае если О = 1 (В = Е= 0), тело проницаемо для тепловых лучей (диатермично).

Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (?) = 0), т. е. атермичны. Для таких тел.

Абсолютно черных, равно как абсолютно прозрачных или абсолютно белых тел, в природе нет. Такие тела должны рассматриваться как научные абстракции. Но все же некоторые реальные тела могут достаточно близко подходить по своим свойствам к таким идеализированным телам.

Надо отметить, что некоторые тела обладают по отношению к лучам определенной длины волны одними свойствами, а к лучам другой длины — другими. Например, тело может быть прозрачным для инфракрасных лучей и непрозрачным для видимых (световых) лучей. Поверхность тела может быть гладкой по отношению к лучам одной длины волны и шероховатой для лучей другой длины волны.

Газы, в особенности находящиеся иод небольшим давлением, в противоположность твердым и жидким телам излучают линейчатый спектр. Таким образом, газы поглощают и излучают лучи лишь определенной длины волны, других же лучей они не могут ни излучать, ни поглощать. В этом случае говорят о селективном (выборочном) поглощении и излучении.

В теории теплового излучения важную роль играет величина называемая спектральной плотностью потока излучения, или спектральной излучателъностъЮу представляющей собой отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн от X до X + (IX, к размеру этого интервала длин волн (IX, Вт/м³: