Главная | Обратная связь

Сущность лучистого теплообмена и закон Стефана – Больцмана

2.1.1. Лучистый теплообмен. В средне- и высокотемпературных и особенно в вакуумных печах, теплообмен излучением играет очень важную роль и преобладает над другими. Лучистый теплообмен состоит из трех стадий: 1) излучение тепла телом; 2) поток тепла в пространство; 3) поглощение тепла.

Первая стадия.При любой температуре твердого тела выше абсолютного молекулы и атомы его находятся в состоянии колебательного движения. Причем чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний атомов. Такое возбужденное состояние атомов вызывает их взаимное столкновение, приводящее переход электронов со своих орбит на другие, более удаленные от ядра атома, т. е. на более высокие энергетические уровни. Но такое положение электронов неустойчиво и приводит к самопроизвольному возвращению их обратно на свои прежние орбиты с низким энергетическим уровнем. Всякое подобное перемещение сопровождается выделением кванта энергии в виде электромагнитных волн.

Вторая стадия. Процесс теплового излучения аналогичен световому излучению и представляет собой волновые электромагнитные колебания, распространяющихся со скоростью света порядка 300 000 км/сек. Спектр излучения твердых и жидких тел содержит весь диапазон длин волн электромагнитного излучения. Тепловое излучение лежит в видимой и инфракрасной областях спектра, в интервале длин волн 760…400 000 нм (0,760…400 мкм). Газы же излучают волны только определенных длин волн (дискретно), интервал излучения зависит от состава газа. Распространение лучистой энергии не нуждается в какой-либо материальной среде (воздух, газ), и поэтому она свободно распространяется даже в вакууме. Интенсивность излучения зависит от температуры тела в четвертой степени (Т⁴). Поэтому лучистый теплообмен особенно интенсивен при температурах более 600 °С и становится превалирующим, в частности в печной камере, по отношению к конвективной теплопередаче и теплопроводностью.

Третья стадия.Тепловые лучи, падая на поверхность тела, частично поглощаются им, превращаясь снова в тепло, частично отражаются, а иногда также частично проходят сквозь него. Коэффициенты поглощения А, отражения R и теплопрозрачности D зависят от природы тела, его температуры и длины волны излучения. Если вся падающая лучистая энергия на тело поглощается им, то А = 1, а R + D = 0. Такое тело называется абсолютно черным телом. Если вся падающая энергия на тело отражается им, то R = 1, а А + D = 0. Такое тело называется абсолютно белым.

В природе нет абсолютно черных и белых тел, а есть тела, приближающиеся к ним.

Все встречающиеся в природе тела излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре. Поэтому, в отличие от абсолютно черного тела, они называются серыми телами. Серое тело в какой-то степени поглощает некоторую часть падающих на него лучей и некоторую часть отражает, теплопрозрачность таких тел ничтожно мала.

2.1.2. Закон Стефана – Больцмана. Законы теплового излучения для абсолютно черного тела экспериментально был установлен чешским ученым Стефаном* (1879), а затем теоретически обоснован австрийским исследователем Больцманом^**(1884).

Согласно этому закону Стефана-Больцмана излучательная способность абсолютно черного тела зависит от его абсолютной температуры и выражается формулой:

q_о = С_o×T ⁴, Вт/м² (4.1)

где q_о – излучательная способность абсолютно черного тела; Т – абсолютная температура в К; С_o – постоянный коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом излучения абсолютно черного тела, равный

Закон Стефана-Больцмана примет вид:

, Вт/м². (4.2)

Все остальные твердые и жидкие тела имеют меньшую излучательную способность и коэффициент излучения для них (серых тел) С = С_o∙e, где e - степень черноты нагреваемых тел. Степень черноты колеблется от 0 до 1. Причем e = 1 соответствует абсолютно черному телу. В этом случае С = С_o .

Плотность излучения серых тел

(4.3)

Значения степеней черноты для некоторых материалов приведены в приложении 5.