Название: физические основы преобразования энрегии - Учебное пособие (И.Л. Кескевич)

Жанр: Технические

Просмотров: 1000


2.1.     основные понятия и определения

Перенос энергии излучением определяет многие процессы – от формирования звездных и планетных атмосфер до передачи информации на расстояния. Велика роль излучения и в современной технике, где оно находит применение, например, в устройствах для высокотемпературного нагрева, выращивания оптических кристаллов, в технике инфракрасного нагрева, в вакуумных электротехнологических установках, в лазерной и космической технике.

Тепловое излучение – электромагнитное излучение, энергия которого возникает за счет возбуждения при тепловом движении атомов, молекул и других частиц вещества. Тепловое излучение может переходить в разнообразные виды энергии, однако основной формой превращения является переход в форму теплового хаотического движения атомов и молекул и обратный переход внутренней энергии частиц в излучение. Этот процесс превращения внутренней энергии вещества вместе с процессом переноса излучения и называется теплообменом излучения или радиационным теплообменом.

Тепловое излучение обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства излучения объясняют закономерности его распространения, а корпускулярные – такие явления, как отражение, поглощение, испускание, фотоэффект.

Излучение характеризуется длиной волны lв и частотой колебаний f

            ,           (2.1)

где сс – скорость света.

Передача тепла излучением может происходить в видимой и в инфракрасной областях спектра. Видимая область спектра соответствует длинам волн lв = 0,4…0,6 мкм, а инфракрасная – lв = 0,76…1000 мкм.

Энергия излучения в единицу времени, относящаяся к узкому интервалу длин волн от lв до lв + dlв, называется потоком монохроматического или спектрального излучения Ql. Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком Q.

Интегральный лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности тела, называется плотностью интегрального излучения

            , Вт/м2,          (2.2)

где dQ – лучистый поток; dF – площадь элемента поверхности. Лучистый поток по всей поверхности можно выразить как

            , Вт.        (2.3)

Здесь F – полная поверхность тела, м2. Если плотность интегрального излучения постоянна вдоль всей поверхности, то отсюда получается соотношение

Q = EF, Вт.

Излучение, которое определяется природой данного тела и его температурой, называется собственным излучением и характеризуется плотностью потока собственного излучения Eсоб. Обычно тело участвует в теплообмене с другими телами. Излучение от этих тел, попадая на данное тело, частично поглощается, частично отражается, а часть его проходит сквозь тело. Плотность потока поглощенного излучения

            ,            (2.4)

где A – коэффициент поглощения поверхности тела; Eпад – плотность потока излучения, падающего на данное тело.

Часть падающей энергии, которую данное тело отражает обратно окружающим его телам, носит название отраженного излучения. Плотность отраженного излучения

            ,  (2.5)

где R – коэффициент отражения поверхности тела.

Поверхность называется диффузно излучающей или диффузно отражающей, если ее собственное или отраженное излучение распределено равномерно по всем направлениям.

Часть падающей энергии излучения, прошедшая сквозь тело, называется пропущенным излучением. Плотность потока пропущенного излучения

            ,           (2.6)

где D – коэффициент пропускания.

Из уравнения энергетического баланса

            ,   (2.7)

используя соотношения (2.4)–(2.6), можно получить связь между коэффициентами A, R и D:

            A + R + D = 1.            (2.8)

Сумма собственного излучения и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется эффективным излучением. Плотность потока эффективного излучения имеет вид

            ,     (2.9)

Результирующее излучение представляет собой разность между потоком излучения, получаемого данным телом из окружающего пространства, и потоком излучения, которое оно посылает в окружающее пространство.

Плотность потока результирующего излучения Eрез может быть представлена двояким образом:

                 (2.10а)

            .     (2.10б)

Основные законы теплового излучения определяют свойства термодинамически равновесного излучения, т.е. такого излучения, которое находится в равновесии с испускающим его телом.

Физической моделью замкнутой области пространства, в котором излучение находится в термодинамическом равновесии с испускающим его телом, окружаемое этим пространством, является модель абсолютно черного тела.

Абсолютно черным телом (АЧТ) называется идеальное тело, которое пропускает внутрь себя все падающее излучение (не отражая энергии) и поглощает его внутри себя. Кроме этого, АЧТ является идеальным излучающим телом. Излучение АЧТ характеризуется непрерывным спектром, изотропно-направленным в пространство.