КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Теплообмен излучением
Это процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем э/магнитных волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света (в воде ≈ 0.7 этой скорости). При поглощении волн они вновь превращаются в тепловую энергию. Для процессов теплообмена представляет интерес тепловое (инфракрасное) излучение с длинами волн 0,8мк – 0,8мм (видимое – 0,4 - 0,8мк, что светит, то уже практически не греет). Все тела (среды), испускают лучистую энергию, т.к. их температура всегда выше абсолютного нуля. Они также могут поглощать, отражать и пропускать падающую на них лучистую энергию Q, в определенных долях, пусть α, ρ и τ соответственно (очевидно, что α + ρ + τ = 1). Тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение, наз. абсолютн о черным. Для него α = 1. Черная сажа, черный бархат - α ≈ 0,95 – 0,98, хорошее зеркало – α ≈ 0,02. Если α не зависит от длины волны – тело считается серым. Когда все лучи поглощаются телом, кроме световых, оно не кажется черным. Излучение называется монохроматическим, если оно принадлежит какой-либоопределеннойдлине волны λ, а если во всем диапазоне волн от нуля до бесконечности – интегральным. Последнее здесь только и может быть рассмотрено. Лучистый поток, исходящий с единицы поверхности излучающего тела по всем направлениям полупространства (полусферы), наз. плотностью полусферического излучения Е=dQ/dА1,Вт/м2. … (40) Угловая интегральная плотность излучения (яркость интегрального излучения) – количество лучистой энергии, испускаемой в направлении угла β с нормалью поверхности n (рис. справа) единицей элементарной площади в единицу времени в пределах единичного элементарного телесного угла dω
Iβ = d2Qβ/(dA1dω) = dE/dω, Вт/(м2стер) … (41)
(dω = df/r2 – элементарный телесный угол с вершиной на площадке dA1, вырезающий на поверхности сферы радиуса r площадку df, стерадиан. Площадь поверхности полусферы - 2πr2, она охватывает телесный угол 2π с вершиной в центре ее основания). Интегральная интенсивность излучения – количество лучистой энергии, испускаемое в направлении угла β в единицу времени элементарной площадкой в пределах единичного элементарного телесного угла,отнесенное к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную к направлению излучения I=d2Qβ/(dAнdω) =d2Qβ/(dA1cosβdω) = Iβ / cosβ. …(42)
Излучение с одинаковой интенсивностью по всем направлениям называется изотропным, а с поверхности твердого тела - идеально диффузным.
Закон Стефана – Больцмана - плотность излучения черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Е0 = σ0Т4=5,67(Т/100)4, Вт/м2,...(43) (σ0 = 5.67 * 10-8 – постояннаяБольцмана, Вт/(м2 К4)), а серого тела - Е = ɛЕ0 = ɛσ0Т4,...(44) где ɛ =Е/Е0 – отношение излучательной способности реального тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре,так называемая степень черноты тела, лежит в диапазоне (0 – 1). Степень черноты существенно зависит от шероховатости поверхности: свежевыпавший белый снег имеет степень черноты ≈ 0,8 - 0,9, а степень черноты тела белого человека и негра в тепловом смысле – примерно одинаковы. Значения степени черноты для различных материалов систематизированы и приводятся в специальных справочниках. Этот закон найден экспериментальным путем Иосифом Стефаном (1879 г.) и теоретически обоснован Людвигом Больцманом (1884 г.), исходя из первого и второго законов термодинамики с привлечением понятия энтропии.
Закон Кирхгофа - отношение потока излучения Е любого тела к его коэффициенту поглощения α при данной температуре не зависит от природы тела и равно потоку излучения абсолютно черного тела Е0 при той же температуре
Е/ α = Е0....(45) Т. о. среди всех тел поток излучения абсолютно черного тела Е0является наибольшим. Из (44),(45) следует, что ɛ = α, … (46) т.е. степень черноты ɛ и поглощения α любого тела равны друг другу.
Одно из содержаний закона: если тело мало излучает, то оно и мало поглощает. Закон косинусов Ламберта – лучистая энергия, покидающая диффузную поверхность тела в данном направлении, изменяется пропорционально косинусу угла между этим направлением и нормалью к поверхности. Элементарная площадка dA2, вырезанная телесным углом ω на поверхности полусферы радиусом R может быть представлена произведением двух элементарных дуг: Rdβ и Rsinβdθ, т.е. телесный угол dω= sinβdβdθ, а из (36),(37),(38) тогда следует, что dE = Iβdω = Icosβsinβdβdθ. … (47) Интегрирование уравнения (42) для всей поверхности полусферы,т.е. для β от π/2 до 0 и для θ от 2π до 0 дает плотность лучистого потока, покидающего плоскую поверхность Е = πI, … (48) а для абсолютно черной поверхности, являющейся диффузной, E0 = πI0. …(49) В любом случае интенсивность собственного и отраженного излучений серых тел в π раз меньше плотности полусферического излучения. При прохождении лучистой энергии через вещество происходит ее поглощение, закон Бугера I = Is=0 e-ks ... (50) где к – коэффициент поглощения вещества, м-1; s – расстояние по направлению распространения луча, м. Для большинства твердых тел k велико и поглощение происходит в сравнительно тонком поверхностном слое (доли миллиметра), но в прозрачных газах – в их объеме. Существенное значение имеет излучение(поглощение) трех и многоатомных газов, среди них водяного пара и углекислого газа (двух и менее атомные – прозрачны, т. е. диатермичны для тепловых лучей). Для определения эквивалентной степени черноты этих газов введено понятие произведения парциального давления и т. наз. эффективной толщины слоя, зависящей от объема и площади стен, занимаемых газом. Далее обращаются к специальным номограммам, что невозможно здесь рассмотреть.
Теплообмен излучением между черными телами 1 и 2, произвольно расположенными в пространстве, определяется уравнением Q = σ0 [ T14 – T24 ] H, Вт, … (51)
где Н = φ1-2F1= φ2-1F2, м2 – взаимная излучающая поверхность тела 1 и тела 2; F1 и F2 – их поверхности; φ1-2 и φ2-1 – средние по поверхности коэффициенты облученности тела 1 на тело 2 и тела 2 на тело 1. Н = ∫dF1 ∫ (cosψ1cosψ2 /πr2)dF2 ,... (52) F1F2 где ψ1 и ψ2 – углы, составляемые направлением излучения с нормалями к площадкам dF1 и dF2; r –расстояние между площадками; H, φ1-2, φ2-1 – чисто геометрические параметры, зависящие только от формы и взаимного расположения тел. В cправочной литературе приводятся формулы для нахождения H, φ1-2, φ2-1 для типичных случаев теплообмена излучением. Так, для двух поверхностей, образующих замкнутую систему (например, шар 1 в полом шаре 2: φ1-2 = 1, φ2-1 = F1 / F2, Н = F1). В замкнутой системе из двух серых тел произвольной формы количество тепла, передаваемое от поверхности F1 к поверхности F2 так же определяется уравнением (46), но уменьшенным, т. е. умноженным на приведенную степень черноты системы ɛпр = [1 + (1/ɛ1 – 1)φ1-2 + (1/ɛ2 – 1)φ2-1]-1,...(53) где ɛ1 и ɛ2 - степени черноты тел 1 и 2. Теплообмен излучением между излучающими поверхностями существенно уменьшается за счет применения экранов с малой поглощательной и большой отражательной способностями (полированные тонкие металлические листы). При одном экране результирующий тепловой поток между плоскопараллельными телами уменьшается вдвое, при n экранах – в (n+1) раз. Экранирование наиболее эффективно, когда цилиндрический или сферический экраны установлены вблизи тела с более высокой температурой.
Примерно половина излучения Солнца падает на световое и ультрафиолетовое, остальные излучения - гл. образом инфракрасное, т.е. тепловое. На Земле, вне атмосферы, на высоте более ≈ 10 - 15 км плотность потока теплового излучения на площадке перпендикулярной к Солнцу уже максимальна - q0sn ≈ 1325 Вт/м2 (существенно выше, ближе к Солнцу – здесь не могут быть рассмотрены). В Москве, в безоблачный полдень средины июня, на горизонтальной поверхности - qsn ≈ 560 – 800 Вт/м2 (qs = qsn sinψ,где ψ – угловая высота Солнца). (Для справки, Земля отражает ≈ 37% падающей на нее тепловой энергии).
Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 1471; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |