Теплообмен излучением – процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн (фотонов). Этот вид теплообмена осуществляется в три этапа: внутренняя энергия тела в начале преобразуется в энергию излучения, которая на втором этапе распространяется в пространстве, а на третьем этапе энергия излучения вновь преобразуется в теплоту, то есть во внутреннюю энергию тела, которое поглощает лучистый поток. Лучистый теплообмен имеет место между всеми телами и является единственно возможным способом переноса теплоты в вакууме. Тепловое излучение характеризуется длиной волны l и частотой колебания n. При этом волны распространяются со скоростью света с = 3 х 108 м/с, а n = c/l. При температурах, обычных в технике, основное количество энергии излучается при длинах волн от 0,8 до 800 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфракрасными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую – волны видимого (светового) излучения.
Поток излучения – это количество лучистой энергии, излучаемой в единицу времени через произвольную поверхность. Обозначается поток излучения так же, как и тепловой поток,– Q, Вт.
Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела F по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока излучения Е, Вт/м2:
E = Q/F. (149)
При попадании потока излучения на тело он делится на три части: поглощаемую Eпогл, отражаемую Eотр и пропускную Eпроп, то есть:
Е = Eпогл + Eотр + Eпроп (150)
Разделив все члены уравнения на величину Е, получим:
Eпогл /Е + Eотр/Е + Eпроп /Е = A + R + D = 1, (151)
где А = Eпогл /Е – поглощательная способность тела; R = Eотр/Е – отражательная способность тела; D = Eпроп /Е – пропускательная способность тела.
При А = 1, R = D = 0 тело называется абсолютно черным. При R = 1, A = D = 0 тело отражает всю падающую на него лучистую энергию и называется абсолютно белым. При D = 1, A = R = 0 тело пропускает сквозь себя всю падающую на него лучистую энергию и называется прозрачным (диатермичным).
В природе нет ни абсолютно черных, ни абсолютно белых, ни абсолютно прозрачных тел. Реальные тела могут лишь в той или иной мере приблизиться к какому-то из этих видов. Свойством абсолютно черного тела обладает отверстие в стенке полого тела, поскольку можно считать, что энергия луча, падающего в это отверстие, полностью будет поглощена внутри полого тела. При изучении лучистого теплообмена пользуются специальной классификацией лучистых потоков. Собственным излучением называется излучение, которое зависит от свойств тела и от его температуры. Сумма потоков собственного излучения и отраженной части падающего на тело излучения от других тел называется эффективным излучением:
Еэф = Есоб + Еотр = Есоб + RЕпад. (152)
Для абсолютно черного тела R = 0, и, следовательно, Еэф = Есоб.
Из законов излучения для теплотехники наибольшее значение имеет закон Стефана-Больцмана: количество энергии, излучаемое единицей поверхности абсолютно черного тела в единицу времени, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры:
E0 = s0 (T/100)4, (153)
где s0 = 5,67 Вт/(м2 . К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Так как в природе абсолютно черных тел нет, а все тела серые, то этот закон применительно к серым телам будет иметь такой вид:
E = s (T/100)4, (154)
Здесь s ≠ s0 и тем больше отличается от него, чем больше рассматриваемое тело отличается от абсолютно черного. Это отличие учитывается степенью черноты e = s/s0 = E/E0.
Степень черноты шамотного кирпича равна 0,59, красного кирпича – приблизительно 0,94, штукатурки – 0,91, угля – 0,80. Зная e, нетрудно подсчитать и энергию излучения.
Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностями тела, его формулировка: отношение излучательной способности Е к поглощательной А для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е0 при той же температуре и зависит только от температуры:
E/A = E0. (155)
Из этого выражения следует, что поглощательная способность тела А равна степени его черноты e.