Излучение газов. 
Термодинамика и теория теплообмена

Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Поглощение и излучение газов селективное (выборочное). Газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных, довольно узких интервалах ДА, длин воли — так называемых полосах. В остальной части спектра газы не излучают и не поглощают лучистой энергии.

Двухатомные газы обладают ничтожно малой способностью поглощать лучистую энергию, а следовательно, и малой способностью ее излучать. Поэтому эти газы обычно считают диатермичными. В отличие от двухатомных газов многоатомные, в том числе и трехатомные газы, обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Из трехатомных газов в области теплотехнических расчетов наибольший практический интерес представляют углекислый газ (С0₂) и водяной пар (Н₂0), имеющие по три полосы излучения.

В отличие от твердых тел показатель поглощения для газов (конечно, в области полос поглощения) мал. Поэтому для газообразных тел уже нельзя говорить о поверхностном поглощении, так как поглощение лучистой энергии происходит в конечном объеме газа. В этом смысле поглощение и излучение газов называется объемным. Кроме того, показатель поглощения Ь) для газов зависит от температуры.

По закону поглощения, спектральный коэффициент поглощения тела может быть определен по (10.10):

Для газообразных тел эта зависимость несколько усложняется, поскольку на коэффициент поглощения газа влияет его давление. Последнее объясняется тем, что поглощение (излучение) протекает тем интенсивнее, чем большее число молекул встретит луч на своем пути, а объемное число молекул (отношение числа молекул к объему) прямо пропорционально давлению (при t = const).

В технических расчетах газового излучения обычно поглощающие газы С0₂ и Н₂0 (водяной пар) входят как компоненты в состав смеси газов. Если давление смеси р, а парциальное давление поглощающего (или излучающего) газа p_v то в (10.10) необходимо вместо / подставить величину p_tl. Величина /?,/, представляющая собой произведение давления газа на его толщину, носит название эффективной толщины слоя. Таким образом, для газов спектральный коэффициент поглощения

Спектральный коэффициент поглощения газа (в пространстве) зависит от физических свойств газа, от формы пространства, его размеров и температуры газа. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа спектральная излучательность.

Излучательность в пределах одной полосы спектра.

Излучательность газа в замкнутом пространстве равна сумме излучательностей (10.29), взятых по всем полосам спектра:

Опытные исследования показали, что излучательность газов не подчиняется закону Стефана — Больцмана, т. е. зависимости от четвертой степени абсолютной температуры. Однако для практических расчетов излучения газов пользуются законом четвертых степеней, введя соответствующую поправку в значение коэффициента черноты газа е_г:

где

Среднюю длину / пути луча определяют по формуле.

где V — газовый объем; А — площадь поверхности оболочки.

По (10.29) определяют излучательность газа в свободное пространство (пустоту) (свободное пространство можно рассматривать как черное пространство при 0 К). Но газовое пространство всегда ограничено поверхностью твердого тела, в общем случае имеющей температуру Т_сг Ф Г_г и коэффициент черноты е_ст < 1. Она (поверхность) обладает собственным излучением (обычно в пределах всех длин волн), часть которого (в пределах полос Да) поглощается газом. Поэтому излучательность газа, компонентами которого являются С0₂ и Н₂0 (газообразные продукты сгорания), к оболочке серого тела находят по формуле.

в которой последний член учитывает собственное излучение оболочки.

Коэффициент черноты газа при температуре газа составит.

где р — поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Значения степени черноты е_сс,₂ и е_Н20 в зависимости от температуры при различных значениях параметра р_{1 приведены на рис. 10.5,10.6. Поправочный коэффициент (3 определяют по графику, приведенному на рис. 10.7.

Рис. 10.5. Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для С0_2.

Полосы излучения и поглощения для С0₂ и Н₂0 несколько перекрывают одна другую, в связи с чем часть энергии, излучаемой одним газом, поглощается другим. Поэтому коэффициент черноты смеси углекислого газа и водяного пара при температуре стенки

где Ае_г— поправка, учитывающая указанное поглощение. Для газообразных продуктов сгорания обычного состава поправка Де_г составляет всего 2—4%, и ею можно пренебречь.

Рис. 10.6. Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для Н₂0.

В (10.33) входит так называемый эффективный коэффициент черноты оболочки е'_т, больший, чем е_ст, в связи с наличием излучающего газа. Можно принять, что при е_ст = 0,8-И, 0 эффективный коэффициент черноты оболочки е'_т = 0,5(е_ст+ 1).

Рис. 10.7. Поправочный коэффициент р на парциальное давление водяного пара.

Указанные особенности излучения и поглощения газов позволяют установить механизм так называемого парникового эффекта, который оказывает существенное влияние на формирование и изменение климата Земли. Большая часть солнечной радиации проходит сквозь атмосферу и нагревает поверхность Земли. В свою очередь, Землей испускается инфракрасное излучение, в результате чего она охлаждается. Однако часть этого излучения поглощается многоатомными (парниковыми) газами атмосферы, которая вследствие этого играет роль «одеяла», удерживающего теплоту. При этом наибольшее влияние на глобальное потепление оказывают такие парниковые газы, как двуокись углерода (55%), фреоны и родственные им газы (25%), метан (15%) и др.