Процессы и аппараты упаковочного производства

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Во всех телах, температура которых выше 0 К, происходит превра­щение тепловой энергии в лучистую. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различными длинами волн. Возникновение потока лучей в результате превращения тепло­вой энергии в лучистую называют Излучением. По физической сущности Тепловое излучение Аналогично излучению света и следует одним и тем же законам отражения, преломления и поглощения, отличаясь лишь длиной волны. Длина видимых (световых) волн составляет величину 0,4-0,8 мкм, а тепловых (инфракрасных) -0,8-800 мкм. Твердые тела обладают Сплошным спектром Излу­чения. Поэтому они испускают волны всех длин при любой температуре.

Когда поток излучения QИ Из окружающей среды попадает на какое-либо тело (рис. 11-3), то в общем случае часть этого потока Qr Отражается от тела, часть QA Поглощается телом и часть QD -Проходит через тело. Тогда уравнение баланса энергии в общем виде запишется как

QИ = Qr + Qa + Qd, (11.17)

А в долях от общей энергии излучения-как

QR/QИ, + Qa/QИ + Qd/QИ = R +A=D = 1. (11.18)

Если А = 1 (соответственно R = D = 0), это означает, что тело полностью поглощает все падающие на него лучи. Такое тело называют Абсолютно черным. Наиболее близки к абсолютно черному телу технический углерод (сажа), который поглощает до 96% всех лучей, или полая сфера с небольшим отверстием, стенки которой имеют большую поглощательную способность.

При R = 1 (соответственно А = D = 0) тело отражает все падающие на него лучи. Такое тело называют Абсолютно белым.

Рис. 11-3. К балансу энергии излучения

Наиболее близки к абсолютно белым твердые тела с полированной поверхностью.

При D = 1 (соответственно R = А = 0) тело пропускает все падающие на него лучи. Такое тело называют Абсолютно прозрачНым, Или Диатермичным. Примером диатермичной среды могут служить двухатомные газы при умеренных температурах.

В природе не существует ни абсолютно черного, ни абсолютна белого, ни абсолютно прозрачного тел. Однако эти понятия сыграли существенную роль в разработке теории излучения и широко используются в инженерных расчетах и анализе лучистого теплообмена.

При D = 0 выражение (11.18) принимает вид R + А = 1. Тела, подчиняющиеся этому соотношению, называют Серыми телами. К ним относятся твердые и жидкие тела, которые практически нетеплопрозрачны.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени еди­Ницей поверхности тела, называют излучательной способносты<> Е данного тела:

. (11.19)

Энергия излучения тела зависит от длины волн А, и его температуры и является интегральной характеристикой, поскольку учитывает энергию излучения волн всех длин. Излучательную способность тела, отнесенную к длинам волн от X До X + DX, Т. е. к интервалу длин волн DX, Называют интенсивностью излучения I

. (11.20)

Интегрирование выражения (11.20) позволяет установить связь между излучательной способностью и интенсивностью излучения

(11.21)

Интенсивность излучения /0 для абсолютно черного тела определяется законом Планка:

Где - Длина волны излучения, м; Т-абсолютная температура, К; С1 = 0,374-10-15 Втм2 и С2 = 1,4388-10-2 мК-постоянные излучения.

В соответствии с законом Планка интенсивность излучения очень коротких волн быстро возрастает до максимума (рис. 11-4), а затем медленно убывает, не достигая нуля при наибольших длинах волн, еще соответствующих тепловому излучению. Площадь, ограниченная осью абсцисс, изотермой и ординатами X, и X + DX (на рис. заштрихована), служит мерой элементарного количества энергии DE0, Излучаемой единицей поверхности к единицу времени при температуре Т В интервале длины волны d , т. е

DE=I0D .

Длину волны , при которой Ео Максимальна, можно установить из выражения производной уравнения (11.22) d/0/dA,, Предварительно приравняв ее нулю:

maxT=0,0029 мК (11.23)

Зависимость (11.23) называют Законом смещения Вина. Закон Вина устанавливает связь между температурой излучателя и длиной волны, соответствующей наибольшей интенсивности излучения. По закону Вина максимальное значение интенсивности теплового из­лучения с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

Из уравнений (11.20)—(11.22) получают выражение Закона СтеФана—Болъцмана:

(11.24)

К0=5,67*10-8Вт/(м2К4) – Константа излучения абсолютно черного тела, или Постоянная Стефана-Больцмана.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что Полное количество энергии, излучаемой черным телом, прямо пропорционально четвертой степени температуры этого тела. В технических расчетах закон Стефана-Больцмана удобнее применять в другой форме:

Е0=С0(Т/100)4 (11.25)

Со = Ко*108 = 5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент излучения абсолютно Черного тела.

Для серых тел закон Стефана-Болъцмана примет следующий Вид:

Е= (Т/100)4, (11.26)

Где = С/ Со- Степень черноты серого тела; С-коэффициент излучения серого тела

Следовательно,

Е=С(Т/100)4. (11.26а)

Степень черноты всегда меньше единицы, она зависит от природы материала, температуры и состояния его поверхности, (полированная или шероховатая).

Изменение интенсивности излучения по различным направлениям определяется законом Ламберта. По этому закону количеств энергии DQ, Излучаемой элементом поверхности DFt Более нагретого тела в направлении элемента поверхности DF2 Менее нагретого тела, пропорционально излучению энергии Еп По направлению нормали к dFx, пространственному углу d|/ и косинусу угла ф, образованного прямой, соединяющей элементы DF1 И DF2, и Нормалью к элементу DFx:

Из этого выражения следует, что количество излучаемой энергии равно нулю при = 90 ° и максимально при = 0.