ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
С явлением лучистого теплообмена специалисты по инженерному оборудованию зданий встречаются часто, и в их задачу входит конструирование различных технических установок на основе соответствующих закономерностей. Такой задачей, наряду с прочим, является и расчет лучистого отопления, при этом принимаются во внимание хорошо известные основные законы излучения, используемые в инженерной практике. Однако для их лучшего понимания целесообразно знать физические основы этого явления и его закономерности, сформулированные на языке физики. В данном разделе мы стремились очень кратко сформулировать все то, что следует знать специалисту по инженерному оборудованию зданий. При составлении настоящего раздела были приняты во внимание советы физика Петера Бошана, а также положения книги д-ра Ласло Имре «Справочник по сушке» из раздела «Сушка лучистым теплом».
Лучистая теплота, или тепловое излучение, представляет собой одну из форм электромагнитного излучения. Электромагнитная волна — это изменяющийся во времени периодический электромагнитный сигнал в пространстве, состоящем из электрических и магнитных полей. Для его распространения необходимо время, а направление его распространения параллельно вектору напряженности электрического поля и магнитной индукции (поперечная волна).
Скорость распространения электромагнитных волн может быть определена по теории Максвелла:
Следует заметить, что эта скорость, в отличие, например, от скорости волн в воде или звуковых волн не зависит от частоты. Практически можно возбуждать и наблюдать электромагнитные волны с любой длиной волны. Пользуясь табл. 1.1, можно установить характер теплового излучения при различных длинах волн.
С точки зрения формирования электромагнитной волны очень важно то, что излучение создает ускоряющийся заряд, и энергия образующегося магнитного поля расходуется на ускорение заряда.
Тепловое излучение возникает за счет того, что атомы тела под действием теплоты движутся быстрее, а в случае твердого материала быстрее колеблются по сравнению с состоянием равновесия. При этом движении атомы сталкиваются. В результате неупругого столкновения внутренняя энергия одного или обоих атомов возрастает и энергия движения уменьшается. Одна из возможностей отдачи увеличивающейся внутренней энергии — испускание электромагнитных волн. Во время излучения электронная оболочка атома колеблется как микроскопическая антенна. Электромагнитное излучение либо возбуждает другой атом, либо покидает тело; это и есть тепловое излучение. Поскольку атомы движутся при любой температуре, все тела при любой температуре испускают теплоту. Энергия электромагнитной волны, т. е. сила излучения, при данной температуре зависит от длины волны.
Испускаемая энергия будет наибольшей при характерной длине волны kj, при этом форма кривой «энергия — длина волны» в идеальном случае зависит только от температуры излучающего тела и не зависит от материала. Длина волны, соответствующая максимальной испускаемой энергии, определяется соотношением
Это так называемый закон Вина.
Вследствие особенностей испускаемых волн явления интерференции, а также закономерности поляризации, проникания и отражения во всем спектре электромагнитных волн действительны и для теплового излучения.
Характерной особенностью излучаемой энергии является то, в отличие от других основных видов передачи теплоты здесь нет необходимости в передающем промежуточном веществе, даже наоборот, скорость распространения волны максимальна в вакууме.
Полностью энергию qe, проходящую через единицу поверхности тел, Вт/м2, можно определить суммированием потоков энергии, соответствующих отдельным длинам волн:
Распределение спектральной интенсивности излучения абсолютно верного тела в зависимости от длины волны при различных значениях температуры Т показано на рис. 1.1.
Модели абсолютно черного тела лучше всего соответствует закрытая полость,, на стенке которой имеется очень малое отверстие. излучение, проникающее в полость через это узкое отверстие, после повторного отражения на стенках с большой вероятностью будет полностью поглощено. Среди реальных тел особенностям абсолютно черных тел лучше всего соответствуют материалы сильно расчлененной, но тонкой поверхностной структурой (например, иней). С точки зрения абсорбции теплового излучения обычно решающее значение имеет тонкая структур поверхности.
Очень гладкие (полированные) поверхности отражают тепловое излучение, и степень отражения (если Qr — отражаемый поток энергии)
Способность пропускать тепловое излучение у большинства твердых веществ равна 0.
Для реальных тел а<1. Если при этом a = const и A = const, то, согласно распространенной терминологии, тело называется «серым телом». Однако, поскольку для реальных тел а = а (К, Т, (p)==const (рис. 1.2), то серое тело можно считать только моделью излучения (угол ф характеризует направление излучения).
Очевидно, что
Так как а=а(к, Т, ф), то и е = е(А, Т, ф). Соответствующие значения е для излучения, поступающего по нормали к поверхности (ф = 0) при различной температуре, приведены в табл. 1.2.
