Основные понятия и законы. Природа теплового излучения. Спектр излучения. Лучистый поток. Плотность лучистого потока. Интенсивность излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способность тел. Классификация лучистых потоков: собственное излучение, отраженное, эффективное и результативное излучение, падающее и поглощенное излучение; их взаимная связь.
Законы излучения абсолютно черного тела: закон Планка, закон Вина,. Серое тело. Закон Стефана – Больцмана. Степень черноты. Закон Кирхгофа для монохроматического и интегрального излучения. Закон Ламберта.
Литература:[1, гл.16]
Методические указания
При изучении темы следует прежде всего различать излучение равновесное и неравновесное. Необходимо также твердо усвоить, что так называемые электромагнитные волны (видимые, тепловые и ультрафиолетовые лучи, лучи Рентгена, космические, гамма-лучи) имеют единую природу и отличаются только длинами волн. Следует усвоить основные понятия и определения: сплошной и селективный спектр, черное, цветное, серое излучение, интенсивность монохроматического излучения.
Необходимо различать черное (равновесное) излучение и излучение реальных тел. Равновесное излучение описывается законом Планка или законами Релея – Джинса и Вина (частные случаи). Закон Стефана – Больцмана и закон смещения Вина вытекают из закона Планка, первый – при его интегрировании, второй – при дифференцировании.
Излучение реальных тел следует рассматривать как приближенное к равновесному, описываемое формулами Планка, Вина и Стефана – Больцмана, которые отличаются от соответствующих одноименных законов черного излучения только опытными коэффициентами, называемыми спектральной степенью черноты или степенью черноты (интегральной), причем, для серых тел спектральные степени черноты одинаковы при всех длинах волн и равны интегральной степени черноты. Следует четко представлять себе закон Кирхгофа, с помощью которого устанавливается связь между поглощательной и излучательной способностью (степенью черноты) тел, в частности, равенство степеней черноты и поглощательной способности серых и черных тел, а также равенство спектральных значений степени черноты и поглощательной способности всех реальных тел.
В процессе изучения закона Ламберта о диффузном характере излучения необходимо получить ясное представление о пределах его применимости, учитывая, что излучение реальных тел, в частности металлов, существенно отличается от диффузного, вследствие чего различны по величине нормальная и полусферическая излучательные способности.
Вопросы для самопроверки
1. Может ли тело поглощать больше лучистой энергии, чем излучать?
2. Может ли отраженный лучистый поток быть больше падающего лучистого потока?
3. Одинаковы ли единицы, используемые для поверхностной плотности потока интегрального излучения и для спектральной плотности потока излучения?
4. Всегда ли тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает энергии больше, чем поглощает?
5. Может ли возрастать спектральная плотность потока излучения при увеличении длины волны излучения?
6. Может ли убывать спектральная плотность потока излучения при увеличении длины волны излучения?
7. Может ли собственное излучение тела быть меньше отраженного этим телом излучения?
8. Может ли собственное излучение тела быть больше поглощенного этим телом излучения?
9. Может ли собственное излучение тела быть больше эффективного излучения этого тела?
10. Может ли собственное излучение тела быть больше потока результирующего излучения, направленного от тела?
11. Может ли в условиях равновесного излучения степень черноты тела отличаться по значению от поглощательной способности этого тела?
12. Всегда ли степень черноты тела и его поглощательная способность одинаковы?
13. Если растягивать раскаленную спираль электрической лампы накаливания, регулируя током постоянство температуры (и электрического сопротивления) спирали, то возможно ли при этом снижение силы тока?
Тема15. Теплообмен между телами, разделенными прозрачной средой
Программа
Интегральные уравнения излучения. Угловые коэффициенты излучения: элементарный, локальный, средний. Определение угловых коэффициентов для некоторых характерных случаев взаимного расположения и формы тел. Зональный метод расчета теплообмена излучением. расчет теплообмена излучением в системе двух тел. особенности теплообмена излучением в замкнутой системе, состоящей из не серых тел.
Литература:[1, гл.17].
Методические указания
Обычно задача сводится к определению результирующего лучистого потока, тогда как потоки собственного, эффективного, поглощенного и отраженного излучений служат вспомогательными средствами при решении этой задачи. Различают расчет теплообмена излучением в системе тел с плоскопараллельными поверхностями и тел, окруженных оболочками, тел без экранов и тел, разделенных экранами.
При изучении теплообмена излучением между черными телами, произвольно расположенными в пространстве, выделите понятия элементарных и средних угловых коэффициентов излучений, а также элементарных и средних взаимных поверхностей излучения. При изучении лучистого теплообмена в произвольной замкнутой системе тел следует обратить внимание, что если тела не изотермичны, то результирующий поток излучением вычисляют зональным методом с использованием интегральных уравнений излучения вместо алгебраических уравнений.
При выводе формул лучистого теплообмена между реальными телами через плоский или криволинейные зазоры необходимо иметь четкое представление о роли приведенной поглощательной способности, позволяющей рассчитывать результирующий поток лучистого тепла между телами как разность встречных эффективных потоков. Надо уметь определять приведенную поглощательную способность при теплообмене между двумя телами простейшей конфигурации. Запомните связь между приведенной поглощательной способностью и приведенным коэффициентом излучения.
Следует знать основные способы повышения и снижения интенсивности теплообмена излучением. В частности, надо обратить внимание на расчет лучистого потока при наличии экранов между поверхностями с заданной температурой. Необходимо различать случаи, когда степени черноты экранов и крайних стенок одинаковы и когда они различны. В первом случае расчетная формула имеет наиболее простой и наглядный вид. Однако наибольшее распространение имеет именно второй случай, так как для экранов предпочтительнее материалы с минимальной степенью черноты.
Вопросы для самопроверки
1. Существует ли эффективный лучистый поток в зазоре между двумя параллельными стенками, если поверхности стенок имеют одинаковую температуру?
2. Может ли серое тело излучать больше энергии, чем черное тело таких же размеров и в такой же окружающей среде, если температуры серого и черного тел одинаковы?
3. Может ли серое тело поглощать больше энергии, чем черное тело таких же размеров и в такой же окружающей среде, если температуры серого и черного тел одинаковы?
4. Может ли серое тело поглощать больше энергии, чем черное тело, если размеры и температуры серого и черного тел одинаковы, а температура окружающих тел различна?
5. Зависит ли поток лучистой энергии, поглощенной телом, от изменения температуры окружающей среды, если поглощательная способность тела постоянна?
6. Можно ли определить результирующий поток излучения как разность собственного и падающего излучения?
7. Влияет ли на эффективный лучистый поток от данной поверхности расположение и форма приемника этого излучения?
8. Необходимо ли знание закона Стефана-Больцмана для вычисления потока результирующего излучения?
9. Достаточно ли знание величин, которые используются в законе Стефана-Больцмана, для вычисления потока результирующего излучения?
10. Влияет ли форма и расположение внешних источников излучения на вид расчетной формулы для приведенной поглощательной способности?
11. Влияет температура внешних источников излучения на способ расчета приведенной поглощательной способности?
12. Может ли приведенная поглощательная способность быть выше поглощательной способности тела?
13. Можно ли формулу для расчета местного углового коэффициента φ1,2
[1, § 17.14.1] от элемента dF1 вертикальной площадки к горизонтальному кругу [1, рис. 17.16] использовать для расчета местного углового коэффициента φ'1,2 от этого же элемента, но к горизонтальному кольцу с внешним радиусом R≤R0 и шириной ∆R ?
14. Достаточно ли знать: 1) мощность Q1, излучаемую диффузно элементом F1; 2) средний угловой коэффициент φ1,2 от F1к поверхности F2; 3)площадь поверхности F2 , чтобы вычислить среднюю по площади F2 плотность излучения, падающего от F1 на F2 ?