Черного тела

Расчет теплообмена излучением в реальных системах во многом основывается на законах излучения абсолютно черного тела (АЧТ). Ранее было показано, что под абсолютно черным телом понимается тело, у которого поглощательная способность А=1. В природе таких тел нет, но созданы различные модели АЧТ, которые используются при экспериментальном исследовании процессов теплообмена излучением. Понятие абсолютно черного тела впервые было введено немецким физиком Г. Кирхгофом.

Наиболее совершенной моделью АЧТ является полая сфера с шероховатой и зачерненной внутренней поверхностью, имеющая отверстие, диаметр которого существенно меньше внутреннего диаметра сферы (рисунок ).

Поглощательная способность полой сферы практически равна единице, так как поток энергии Q^пад, попавшей через отверстие в полость сферы, будет многократно переотражаться на криволинейной поверхности сферы.

В каждом акте переотражения из потока изымается часть энергии, поглощаемая поверхностью сферы. В результате многократного переотражения и поглощения весь падающий поток энергии поглотится, что и соответствует определению АЧТ. Если сферическую полость теплоизолировать и нагреть с помощью электрических нагревателей, то она будет излучать собственную энергию, а процесс излучения будет описываться законами излучения АЧТ.

Другой, но менее точной, моделью АЧТ является полость в виде цилиндра круглого поперечного сечения с соотношением внутренней длины l и внутреннего диаметра dl/d ≥ 10 (рисунок ). При указанных размерах цилиндрической полости вся попавшая в нее энергия Q^пад поглoщается более чем на 90 %. Как и в случае сферической модели АЧТ, поглощательная способность цилиндрической модели будет выше, если внутренняя поверхность полости зачернена и шероховата. Излучение нагретой полости в этом случае подчиняется законам излучения АЧТ. В дальнейшем все количественные характеристики излучения АЧТ будут иметь индекс нуль.

Закон излучения Планка. Этот закон получен в 1900 г. немецким физиком М. Планком и описывает зависимость спектральной плотности потока энергии собственного излучения AЧТ от длины волны λ при фиксированной температуре T тела.

где

– константы, отражающие физику процесса излучения, в том числе скорость распространения света в вакууме,

При расчете величины q⁰_λ температура Т подставляется в градусах Кельвина (К), а длина волны λ в метрах.

Закон смещения Вина. Впервые этот закон был установлен в 1893 г. одновременно немецким физиком В. Вином и русским физиком и астрофизиком Б. Голицыным. Закон смещения Вина утверждает, что произведение длины волны λ_max, на которой наблюдается максимум излучения АЧТ, на температуру АЧТ есть величина постоянная, , т.е.

Экраны

Лучистый теплообмен в различных излучающих системах может быть уменьшен за счет применения экранов. Экран – устройство с поверхностью, поглощающей, преобразующей или отражающей излучение различных видов энергии. Применяется для защиты от излучения, использования энергии излучения (например, экраны солнечной батареи).

При наличии одного экрана результирующий поток уменьшается в два раза. Эффективность применения экрана возрастает, если его выполнить из материала с малой поглощательной способностью. Значительное уменьшение теплового потока достигается при применении n экранов. В этом случае плотность теплового потока можно вычислить по формуле

где

А – поглощающая способность;

А_эi – поглощающая способность i-экрана.