Виды лучистых потоков

Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени называется потоком излучения Р, Вт. Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем трем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока излучения Е, Вт/м²:

.

Поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи различных длин волн, поэтому эти характеристики также называются интегральными.

Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от до , называется монохроматическим.

Пусть из всего количества энергии , падающей на тело, часть поглощается, часть отражается и часть проходит сквозь тело (см. рис. 3.1), так что

.

Рис. 3.1. Схема распределения падающей лучистой энергии

Разделив обе части этого равенства на , получим

; (а)

или

.

Соотношение характеризует собой поглощательную способность, – отражательную способность и – пропускательную способность тела. Все эти величины безразмерны и изменяются лишь в пределах от 0 до 1.

Если , то и – это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными.

Если , то и – это означает, что падающая лучистая энергия полностью отражается. При этом, если отражение правильное, то тела называются зеркальными; если же отражение диффузионное – абсолютно белыми.

Если , то и – это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью проходит через тело. Такие тела называются абсолютно прозрачными.

Таких абсолютных тел в природе нет. Введение абсолютных тел упрощает изучение законов управляющих излучением.

Твердые тела и некоторые жидкости (например, вода, спирты) для тепловых лучей практически непроницаемы, т.е. ; в этом случае

. (б)

Из этого соотношения следует, что, если тело хорошо отражает лучистую энергию, то оно плохо поглощает и наоборот.

Если на тело извне не падает никаких лучей, то с единицы поверхности тела отводится лучистый поток , Вт/м². Он полностью определяется температурой и физическими свойствами тела. Это собственное излучение тела. Однако, обычно со стороны других тел на рассматриваемое тело падает лучистая энергия в количестве , это падающее излучение. Часть падающего излучения в количестве поглощается телом – поглощенное излучение; остальное в количестве отражается – отраженное излучение (рис. 3.2).

Рис. 3.2. К определению результирующего теплового потока

Собственное излучение тела в сумме с отражением называется эффективным излучением тела, которое мы ощущаем или измеряем приборами, оно больше собственного на величину .

Результирующее излучение представляет собой разность между собственным излучением тела и той частью падающего внешнего излучения , которая поглощается данным телом, последняя равна .

Таким образом,

.

Величина определяет поток энергии, который данное тело передает окружающим его телам в процессе лучистого теплообмена. Если величина оказывается отрицательной, это значит, что тело в итоге лучистого теплообмена получает энергию.

Рассмотрим основные законы теплового излучения.

Закон Планка

Величина представляет собой отношение плотности потока излучения, испускаемого в интервале длин волн от до , к рассматриваемому интервалу длин волн:

.

и называется спектральной плотностью потока излучения.

Изменение спектральной плотности потока излучения от длины волны и температуры для абсолютно черного тела по закону Планка определяется:

, (3.2)

где – длина волны, м; – абсолютная температура тела, К; и – постоянные излучения, соответственно равные 3,74·10^–16 Вт·м² и 1,44·10^–2 м·К.

На рис. 3.3 показаны зависимости спектральной плотности потока излучения при различных температурах.

Связь между температурой и устанавливается законом Вина:

. (3.3)

Здесь: – это длина волны, при которой спектральная плотность потока излучения достигает максимально значения при заданной температуре (см. рис. 3.3).

Таким образом, значение величины смещается в сторону более коротких волн с ростом температуры.

Рис. 3.3. Графическое представление закона Планка