Излучение энергии присуще всем телам и количественно определяется физическими свойствами и температурой тела, так как его нагревание является причиной внутриатомных возмущений, сопровождающихся излучением. Носителем лучистой энергии являются электромагнитные колебания с волнами разной длины. Установлено несколько характерных диапазонов длин волн (табл. 14.1).
С точки зрения теплообмена интерес представляют такие электромагнитные колебания, энергия которых поглощается телами и проявляется затем в форме внутренней энергии. В наибольшей мере такими свойствами обладают световые и, главным образом, инфракрасные лучи. Энергия электромагнитных колебаний других длин волн телами практически не поглощается. Таким образом, под тепловым излучением подразумевают энергию, отдаваемую и поглощаемую телами в диапазоне длин волн 0.4…400 мк.
|
Таблица 14.1 Длины волн, характерные для некоторых видов излучения
|
Каждое тело излучает энергию непрерывно, независимо от свойств и состояния окружающих тел и среды, даже и в случае, когда температура последних совпадает с температурой тела. При попадании на другие тела эта энергия частично проходит через тела, частично поглощается ими.
Пусть из всего количества энергии Q, падающей на тело (рис. 14.6), часть Qa поглощается, Qr — отражается, a Qd — проходит сквозь тело:
Q = QA + QR + QD— Разделив равенство на Q, получим
Q QA + QR + QD
Q Q
Обозначив
_ A QR______________________________ d QD __ n
Получим
A + R + D = 1. (14.41)
Очевидно, что отношение QA/Q представляет часть лучистой энергии Q, поглощенную телом, QR/Q—-часть, отраженную им, и QD/Q — часть, прошедшую сквозь тело. Величины А, Я, D характеризуют соответственно поглощательную, отражательную и пропускательную способность тела и называются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания.
Если Л = 1,Д = 1) = 0, то вся энергия поглощается телом, и его называют абсолютно черным.
Если Д=1,А = 1) = 0, то вся энергия отражается телом и тело называют абсолютно белым (если поверхность шероховатая и отраженная энергия рассеивается по различным направлениям) или зеркальным (если поверхность полированная и отражение происходит точно под тем же углом, под которым падал на поверхность поток лучистой энергии Q (рис. 14.6).
Если Z? = 1, Л = Я = О, то вся энергия проходит сквозь тело и его называют абсолютно прозрачным.
Абсолютно черных, белых (зеркальных) и прозрачных тел в природе не существует. Тем не менее, известно немало тел, которые по своим свойствам весьма близки к этим абсолютным категориям.
Коэффициенты A, R,D зависят от природы тела, его температуры и длины волны падающего излучения. Так, сухой воздух для тепловых лучей практически прозрачен. Кварц прозрачен для тепловых, световых и инфракрасных лучей с длиной волны до 4 мк; оконное стекло практически пропускает только световые лучи и непрозрачно для ультрафиолетового и части инфракрасного излучений; то же можно сказать и о многих жидкостях.
Твердые тела и жидкости непрозрачны (D = 0); для них А + R = 1. Отсюда следует, что если тело хорошо поглощает тепловое излучение, то оно плохо отражает его и наоборот.
Отражательные свойства вещества определяются не столько цветом, сколько состоянием поверхности тела. Так, белая поверхность хорошо
|
Собственное излучение тела Е |
|
Рис. 14.7. К определению эффективного излучения |
|
Рис. 14.6. Распределение потока лучистой энергии, падающей на тело |
|
Под Падающее Поглощенное Отраженное Излучение „ лучение (1тЛ)Енад Эффективное излучение Е^ЕЩ-А^ |
Отражает лишь световые лучи, а инфракрасные поглощает так же, как и темная; в то же время полировка поверхности позволяет существенно повысить коэффициент отражения лучистой энергии (у полированного металла, например, R ~ 0.9). Шероховатая поверхность, покрытая сажей, наоборот, имеет коэффициент отражения энергии R « 0.05… 0.1, т. е. близка к свойствам абсолютно черного тела. Реальные тела характеризуются значениями коэффициентов А, Д, D в пределах
И их принято называть серыми.
Количество энергии, излучаемое с единицы поверхности собственно телом за единицу времени, называют излучательной способностью тела
|
■Дж] |
|
(14.42) |
|
•cJ" |
|
LM* |
F-Q
Общая энергия, излучаемая телом, состоит из двух составляющих: собственного излучения Е и отраженной лучистой энергии ER (рис. 14.7). Сумма Е + ER носит название эффективного излучения:
Е9ф = Е + Ен = Е + ЯЕПйД = Е + (1-А)ЕпйД, (14.43)
Где R,A — коэффициенты соответственно отражения и поглощения для облучаемого тела.