СПОСОБЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами, областями рассматриваемой среды.
Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами:
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между их элементами), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Теплопроводность – процесс распространениятепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией теплоты понимают процесс её переноса при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела; этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.
В технике и в быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделенными твердой стенкой. Процесс передачи теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей.
Теплопередача осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса.
Парогенерирующие трубы котельного агрегата, например, получают теплоту от продуктов сгорания топлива в результате конвективного теплообмена. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи теплота передается теплопроводностью. От внутренней поверхности трубы к омывающей ее жидкости теплота переносится конвективным теплообменом (теплоотдачей).
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения.
Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучением.
В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – часто происходят совместно.
Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества.
Например, при испарении воды в воздух, помимо теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путем.
Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называют конвективным массообменном.
| | | следующая лекция ==> | |
| Цикл абсорбционной холодильной установки | | | Дифференциальное уравнение теплопроводности |
Дата добавления: 2016-02-09 ; просмотров: 4337 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Способы передачи тепловой энергии
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.
Источник
Лекция 3 ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
Теплопередача или Теплообмен — учение о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией теплоты понимают процесс ее переноса при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Тепловое излучение — процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, связанный с температурой и оптическими свойствами излучающего тела; при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучением. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение — очень часто происходят совместно.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется Конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах часто исследуют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела; этот процесс конвективного теплообмена называют Конвективной теплоотдачей Или просто Теплоотдачей.
Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться теплообменом излучением. Теплообмен, обусловленный совместным переносом теплоты излучением и теплопроводностью, называют радиационно-кондуктивным теплообменом. Если перенос теплоты осуществляется дополнительно и конвекцией, то такой процесс называют радиационно-конвективным теплообменом. Иногда радиационно-кондуктивный и радиационно-конвективный перенос теплоты называют сложным теплообменом.
В технике и быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями (или газами), разделенными твердой стенкой. Процесс передачи теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется Теплопередачей. Теплопередача осуществляется различными процессами теплопереноса. Парогенерирующие трубы котельного агрегата, например, получают теплоту от продуктов сгорания топлива в результате радиационно-конвективного теплообмена. Через слой наружного загрязнения, металлическую стенку и слой накипи теплота передается теплопроводностью. От внутренней поверхности трубы к омывающей ее жидкости теплота передается конвективным теплообменом (теплоотдачей).
Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т. д. В зависимости от этого теплообмен протекает по-разному и описывается различными уравнениями.
Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух помимо теплообмена происходит и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путем. Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называют Конвективным массообменом. При наличии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.
В общем случае перенос теплоты в смеси различных веществ может вызываться неоднородным распределением других физических величин, помимо температуры. Например, разность концентрации компонентов смеси приводит к дополнительному молекулярному переносу теплоты (диффузионный термоэффект). Обычно перенос теплоты, обусловленный подобными эффектами, сравнительно невелик, и, как правило, им можно пренебречь.
При теоретическом исследовании теплообмена приходится вводить некоторые модельные представления о среде, в которой происходят изучаемые процессы. Рассматриваемые газы, жидкости и твердые тела в подавляющем большинстве случаев считаются сплошной средой, т. е. средой, при рассмотрении которой допустимо пренебречь ее дискретным строением.
Различают однородные и неоднородные сплошные среды. В первых физические свойства в различных точках одинаковы при одинаковых температуре и давлении, в неоднородных средах — различны. Различают также изотропные и анизотропные сплошные среды. В любой точке изотропной среды ее физические свойства не зависят от выбранного направления, наоборот, в анизотропной среде некоторые свойства в данной точке могут быть функцией направления. Наиболее изучен и часто встречается на практике теплообмен в изотропных средах.
Сплошная среда может быть однофазной и многофазной. В однофазной среде, состоящей из чистого вещества или из смеси веществ, свойства изменяются в пространстве непрерывно. В многофазной среде, состоящей из ряда однофазных частей, на границах раздела свойства изменяются скачками. Теплообмен в однофазных и многофазных системах протекает по-разному.
На основании представлений современной физики явления природы вообще и теплопроводности в частности можно описать и исследовать на основе Феноменологического и Статистического методов.
Метод описания процесса, игнорирующий микроскопическую структуру вещества и рассматривающий его как сплошную среду (континуум), называется феноменологическим.
Феноменологический метод исследования дает возможность установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое явление в целом. Феноменологические законы носят общий характер, а роль конкретной физической среды учитывается коэффициентами, определяемыми из опыта.
Другой путь изучения физических явлений основан на изучении внутренней структуры вещества. Среда рассматривается как некоторая физическая система, состоящая из большого числа молекул, ионов или электронов с заданными свойствами и законами взаимодействия. Получение макроскопических характеристик по заданным микроскопическим свойствам среды составляет основную задачу такого метода, называемого статистическим.
Как первый, так и второй метод обладают своими достоинствами и недостатками.
Феноменологический метод позволяет сразу установить общие связи между параметрами, характеризующими процесс, и использовать экспериментальные данные, точность которых предопределяет и точность самого метода. В этом заключается достоинство использования феноменологического подхода при изучении явления.
Однако сам факт проведения опытов для выявления характеристики физической среды является одновременно и недостатком метода, так как этим ограничиваются пределы применения феноменологических законов. Кроме того, современный эксперимент очень сложен и зачастую является дорогостоящим.
Статистический метод позволяет получить феноменологические соотношения на основании заданных свойств микроскопической структуры среды без дополнительного проведения эксперимента — в этом его достоинство. Недостаток статистического метода — его сложность, в силу чего получить конечные расчетные соотношения возможно лишь для простейших физических моделей вещества. Кроме того, для реализации метода требуется знание ряда параметров, определение которых является предметом исследования специальных разделов физики.
В основу исследования процессов теплопроводности положен феноменологический метод. Аналитическая теория теплопроводности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает вещество как сплошную среду. Такой подход правомерен, если размеры объектов исследования достаточно велики по сравнению с расстояниями эффективного межмолекулярного взаимодействия.
Всякое физическое явление в общем случае сопровождается изменением в пространстве и времени существенных для данного явления физических величин. Процесс теплопроводности, как и другие виды теплообмена, может иметь место только при условии, если в различных точках тела (или системы тел) температура неодинакова. В общем случае процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердом теле сопровождается изменением температуры как в пространстве, так и во времени.
Аналитическое исследование теплопроводности сводится к изучению пространственно-временного изменения температуры, т. е. к нахождению уравнения
Уравнение (3.1) представляет математическое описание Температурного поля. Таким образом, температурное поле есть совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.
Различают Стационарное и Нестационарное температурные поля. Уравнение (3.1) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура изменяется с течением времени и от одной точки к другой. Такое поле отвечает неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности и носит название нестационарного температурного поля.
Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке поля с течением времени остается неизменной и такое температурное поле называется стационарным. В этом случае температура является функцией только координат:
Температурное поле, соответствующее уравнениям (3.1) и (3.2), является пространственным, так как температура — функция трех координат. Если температура есть функция двух координат, то поле называется двумерным и его запись имеет вид:
Если температура есть функция одной координаты, то поле называется одномерным:
Если соединить точки тела, имеющие одинаковую температуру, получим поверхность равных температур, называемую Изотермической. Итак, изотермической поверхностью называется геометрическое место точек в температурном поле, имеющих одинаковую температуру.
Так как одна и та же точка тела не может одновременно иметь различные температуры, то изотермические поверхности не пересекаются. Они либо оканчиваются на поверхности тела, либо целиком располагаются внутри самого тела.
Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на этой плоскости семейство изотерм. Они обладают теми же свойствами, что и изотермические поверхности, т. е. не пересекаются, не обрываются внутри тела, оканчиваются на поверхности либо целиком располагаются внутри самого тела.
На рис. 3 .1 приведены изотермы, температуры которых отличаются на DТ.
Температура в теле изменяется только в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. При этом наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении нормали к изотермической поверхности.
Возрастание температуры в направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется Градиентом температуры — Вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равным производной от температуры по этому направлению, т. е.
, (3.5)
Где nо — единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры; ДT/дп — производная от температуры по нормали П.
Значение температурного градиента ДT/дп не одинаково для различных точек изотермической поверхности. Оно больше там, где расстояние между изотермическими поверхностями меньше.
Необходимым условием распространения теплоты является неравномерность распределения температуры в рассматриваемой среде. Таким образом, для передачи теплоты теплопроводностью необходимо неравенство нулю температурного градиента в различных точках тела.
Согласно Гипотезе Фурье, количество теплоты dQ (Дж), проходящее через элемент изотермической поверхности DS за промежуток времени dt, пропорционально температурному градиенту ДT/дп:
(3.6)
Опытным путем установлено, что коэффициент пропорциональности в уравнении (3.6) есть физический параметр вещества. Он характеризует способность вещества проводить теплоту и называется Коэффициентом теплопроводности.
Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности (Q, Вт/м2), называется Плотностью теплового потока:
.
Вектор плотности теплового потока 
Направлен по нормали к изотермической поверхности. Его положительное направление совпадает с направлением убывания температуры, так как теплота всегда передается от более горячих частей тела к холодным. Таким образом, векторы и gradT лежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны. Это и объясняет наличие знака „минус» в правой части уравнения (3.6).
Линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора , Называются Линиями тепловою потока. Линии теплового потока ортогональны к изотермическим поверхностям.
Скалярная величина вектора плотности теплового потока Q будет равна:
(3.7)
Многочисленные опыты подтвердили справедливость гипотезы Фурье. Поэтому уравнение (3.6), так же как и уравнение (3.7), является математической записью основного закона теплопроводности, который формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры.
Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность S, называется Тепловым потоком.
Таким образом, для определения количества теплоты, проходящего через какую-либо поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и является главной задачей аналитической теории теплопроводности.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА
Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Если в единицу времени через единицу контрольной поверхности нормально к ней проходит масса жидкости r 
кг/(м2×с), где — скорость, r— плотность жидкости, то вместе с ней переносится плотность теплового потока
,
Где h — удельная энтальпия.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры. В результате конвективный теплообмен описывают уравнением
. (3.8)
Здесь q является локальным (местным) значением плотности теплового потока за счет конвективного теплообмена. Первый член правой части уравнения (3.8) описывает перенос теплоты теплопроводностью, второй — конвекцией.
Очень часто в инженерных расчетах исследуют теплоотдачу, при этом знание конвективного теплообмена внутри жидкой среды может представить косвенный интерес, поскольку перенос теплоты внутри жидкости отражается и на теплоотдаче.
При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона — Рихмана:
(3.9)
Согласно закону Ньютона — Рихмана, тепловой поток dQ (Вт) от жидкости к элементу поверхности соприкасающегося тела площадью dS (или от dS к жидкости) прямо пропорционален dS и разности температур DT=TT — Tж, где TT — температура поверхности тела, Tж — температура окружающей жидкой или газообразной среды. Разность температур называют температурным напором.
Коэффициент пропорциональности a, входящий в уравнение (3.9), называется коэффициентом теплоотдачи. Он зависит от конкретных условий процесса теплоотдачи, влияющих на его интенсивность.
.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока Q на границе жидкости (газа) и соприкасающегося тела, отнесенная к разности температур поверхности этого тела и окружающей среды.
В общем случае коэффициент теплоотдачи переменен по поверхности. Если a и DT не изменяются по S, то закон Ньютона — Рихмана может быть записан следующим образом:
Коэффициент теплоотдачи зависит от большого количества факторов. В общем случае a является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, физических параметров жидкости и других величин. По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости.
Чтобы привести жидкость в движение, к ней необходимо приложить силу. Силы, действующие на какой-либо элемент жидкости, можно разделить на массовые (или объемные) и поверхностные. Массовыми называются силы, приложенные ко всем частицам жидкости и обусловленные внешними силовыми полями (например, гравитационным или электрическим). Поверхностные силы возникают вследствие действия окружающей жидкости или твердых тел, они приложены к поверхности контрольного объема жидкости. Такими силами являются силы внешнего давления и силы вязкого трения.
Различают свободную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение в рассматриваемом объеме жидкости возникает за счет неоднородности в нем массовых сил. Если жидкость с неоднородным распределением температуры и, как следствие, с неоднородным распределением плотности находится в поле земного тяготения, может возникнуть свободное гравитационное движение.
Вынужденное движение рассматриваемого объема жидкости происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границах, за счет предварительно сообщенной кинетической энергии (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра). Как вынужденное pассматривается и течение изучаемого объема жидкости под действием однородного в нем поля массовых сил. Иллюстрацией последнего может являться течение изотермической пленки жидкости по стенке под действием силы тяжести.
Вынужденное движение в общем случае может сопровождаться свободным движением. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур отдельных областей среды и чем меньше скорость вынужденного движения. При больших скоростях вынужденного движения влияние свободной конвекции становится пренебрежимо малым.
В стационарных процессах течения и теплоотдачи скорости и температуры в любой точке жидкости (газа) неизменны во времени.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.
Процессы лучистого теплообмена получили широкое распространение в теплотехнике, ядерной энергетике, ракетной технике, металлургии, сушильной технике, химической технологии, светотехнике, гелиотехнике и др.
Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела с помощью электромагнитных волн. При поглощении электромагнитных волн какими-либо другими телами они вновь превращаются в энергию теплового движения молекул. Электромагнитное излучение всех длин волн обусловливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т. е. электронов и ионов. При этом колебания ионов, составляющих вещество, соответствуют излучению низкой частоты (инфракрасному) вследствие значительной массы колеблющихся зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов, может иметь высокую частоту (видимое и ультрафиолетовое излучение), если эти электроны входят в состав атомов или молекул и, следовательно, удерживаются около своего положения равновесия значительными силами. В металлах свободные электроны испытывают нерегулярное торможение, и их излучение приобретает характер Импульсов, т. е. характеризуется спектром различных длин волн, среди которых могут быть и волны низкой частоты.
Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучают энергию всех длин волн — от 0 до ¥. К твердым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхностью, газы и пары характеризуются селективным (прерывистым) спектром излучения. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов — еще от толщины слоя и давления. Твердые и жидкие тела имеют значительные поглощательную и излучательную способности. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои: для непроводников теплоты они составляют около 1 мм, для проводников теплоты — 1 мкм. Поэтому в этих случаях тепловое излучение приближенно можно рассматривать как поверхностное явление. Полупрозрачные тела (плавленый кварц, стекло, оптическая керамика и т. п.), а также газы и пары характеризуются объемным характером излучения, в котором участвуют все частицы объема вещества. Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры тела его энергия излучения увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. При этом изменяется не только значение этой энергии, но и спектральный состав. При увеличении температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволнового излучения. В процессах излучения зависимость от температуры значительно большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Вследствие этого при высоких температурах основным видом переноса может быть тепловое излучение.
Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо пополнять убыль ее; в противном случае излучение будет сопровождаться какими-либо изменениями внутри тела, и состояние излучающей системы будет непрерывно изменяться. Указанные процессы могут быть весьма разнообразны, и, следовательно, может быть различен и характер свечения.
Известны процессы излучения, сопровождающие химические превращения внутри тела, — так называемая Хемилюминесценция. Сюда относится, например, свечение гниющего дерева или свечение фосфора, медленно окисляющегося на воздухе. В этом случае испускание лучистой энергии идет параллельно с изменением химического состава вещества и уменьшением запаса его внутренней энергии.
Процессы излучения, вызываемые освещением тела, называются фотолюминесценцией. В данном случае для поддержания свечения необходимо подводить к телу энергию в виде излучения, поступающего от внешнего источника.
Весьма распространен способ возбуждения свечения путем электрического воздействия на излучающую систему. Свечением такого рода (электролюминесценция) является свечение газов или паров под действием проходящего через них электрического разряда, который может иметь разнообразные формы: тлеющий разряд, электрическая дуга, искра. Во всех таких случаях энергия, необходимая для излучения, сообщается атомам и молекулам газа путем бомбардировки электронами, разгоняемыми электрическим полем разряда. Бомбардировка электронами может вызвать также свечение твердых тел, например, минералов (катодолюминесценция).
Наконец, можно заставить тело светиться, сообщая ему необходимую энергию нагреванием. И в этом случае можно поддерживать излучение неизменным, если убыль энергии, уносимой излучением, пополнять сообщением соответствующего количества тепла. Последний вид свечения наиболее распространен и называется Тепловым излучением. Собственно говоря, такое тепловое излучение имеет место и при низких температурах (например, при комнатной), но только в этих условиях излучение практически ограничивается лишь очень длинными инфракрасными волнами.
Тепловое излучение тел можно противопоставить всем иным видам излучения в силу некоторых его особенностей.
Предположим, что излучающее тело окружено идеально отражающей, непроницаемой для излучения оболочкой. Тогда излучение, испускаемое телом, не рассеивается по всему пространству, а, отражаясь стенками, сохраняется в пределах полости, падая вновь на излучающее тело и в большей или меньшей степени вновь им поглощаясь. В таких условиях никакой потери энергии наша система — излучающее тело и излучение — не испытывают. Однако это еще не значит, что испускающее тело и излучение находятся в равновесии между собой. Энергия системы содержится частично в виде энергии излучения (электромагнитных волн), частично в виде внутренней энергии излучающего тела. Состояние системы будет равновесным, если с течением времени распределение энергии между телом и излучением не меняется. Поместим внутрь полости нагретое тело (твердое, жидкое или газообразное). Если в единицу времени тело больше испускает, чем поглощает (или наоборот), то температура его будет понижаться (или повышаться). При этом будет ослабляться или усиливаться испускание, пока не установится равновесие. Такое равновесное состояние устойчиво. После всякого нарушения его, в силу описанного механизма, вновь восстановится равновесное состояние.
Наоборот, излучение, возбуждаемое не нагреванием, а какими-либо другими процессами, не будет равновесным. Пусть, например, излучение имеет характер хемилюминесценции, т. е. сопровождает какой-то процесс химического изменения вещества. Поглощение большей или меньшей доли испущенной световой энергии не вернет вещество в его первоначальное состояние. Более того, повышение температуры, вызнанное поглощением тепла, обычно ведет лишь к более энергичному протеканию химической реакции. Процесс непрерывного изменения излучающей системы будет продолжаться до тех пор, пока может идти химическая реакция, и, следовательно, система все больше и больше удаляется от первоначального состояния. Равновесие установится только тогда, когда закончится химический процесс, а с ним и хемилюминесценция, и характер установившегося излучения будет определяться температурой тела, т. е. равновесное состояние будет соответствовать опять-таки тепловому излучению.
То же справедливо и при фотолюминесценции. Внесем в зеркальную полость какое-нибудь фосфоресцирующее вещество, предварительно возбужденное освещением. Свечение нашего тела будет постепенно ослабевать; действительно, свет фосфоресценции, отраженный зеркальными стенками, может частично поглощаться веществом и нагревать его; однако он не сможет поддерживать длительной фосфоресценции, для возбуждения которой требуется освещение светом более короткой длины волны, чем испускаемый свет (закон Стокса). Значит, и в данном случае будут иметь место постепенное нагревание тела за счет света фосфоресценции и постепенная замена этого излучения тепловым излучением нагретого тела, т. е. излучением, интенсивность и спектральный состав которого определяются температурой тела. Аналогично будет затухать свечение, вызванное кратковременным электрическим разрядом, и заменяться тепловым излучением, соответствующим установившейся температуре системы.
Таким образом, равновесное излучение всегда имеет характер теплового излучения, причем такое равновесие между излучением и веществом может иметь место для любого тела (твердого, жидкого, газообразного). Это тепловое, или равновесное, излучение подчиняется определенным общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики, в силу которых установившееся тепловое равновесие изолированной системы не может нарушиться вследствие излучения какими-либо частями данной системы или вследствие каких-либо других тепловых обменов. Тепловое излучение иногда называют Температурным.
Тепловое излучение имеет сплошной спектр, однако распределение энергии в нем существенно зависит от температуры: при низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным, при высоких температурах — видимым и ультрафиолетовым.
Нагревая, например, металл, мы видим появление темно-красного свечения при температуре около 500оС. По мере повышения температуры свечение становится ярче и обогащается более короткими волнами, переходя примерно при 1500оС в яркое белое каление.
Другая важнейшая черта температурного излучения следующая. Спектральный состав излучения, соответствующего данной температуре, для различных хорошо поглощающих веществ (например, окислов различных металлов, угля и т. д.) практически одинаков, но для прозрачных тел излучение может иметь отличный состав. Так, нагревая кусок стали, при температуре около 800°С можно увидеть яркое вишнево-красное каление, тогда как прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится, не испускает видимых (в частности, красных) лучей. Таким образом, обнаруживается большая способность к излучению тел, хорошо поглощающих. Это обстоятельство определяет условия обмена лучистой энергией, ведущего к установлению теплового равновесия между телами.
Опыт показывает, что тела различной температуры, могущие передавать друг другу тепло, по истечении некоторого времени принимают одинаковую температуру, т. е. приходят в тепловое равновесие. Это происходит и в том случае, когда тела заключены в непроницаемую для тепла оболочку, в которой создан вакуум, т. е. исключена возможность теплового обмена в силу теплопроводности и конвекции, и имеет место лишь излучение и поглощение. Излучая и поглощая тепло, тела в конце концов принимают одинаковую температуру Т. Тепловое равновесие имеет динамический характер, т. е. и при одинаковых температурах всех тел происходит, конечно, излучение и поглощение лучистой энергии, но так, что в единицу времени тело столько же излучает тепла, сколько оно его поглощает. Отсюда ясно, что если два тела обладают различной способностью к поглощению, то есть Поглощают разные количества энергии, то и испускание должно быть различно (Прево, 1809 г.).
Нетрудно подтвердить это заключение простыми опытами. В качестве излучателя возьмем наполненную горячей водой коробку (рис. 1), плоские стенки которой обладают различной способностью к поглощению: одна сделана из хорошо полированного металла и поглощает очень мало, а другая покрыта черным слоем окисла и почти нацело поглощает падающую на нее энергию. В качестве приемника удобно использовать воздушный термометр, резервуар которого Q также представляет собой металлическую коробку со стенками из различного материала. По расширению воздуха в Q можно судить о количестве поступающего за единицу времени тепла. Поворачивая сосуд G к термометру (или Q к излучателю) блестящей или черной стороной, можно убедиться, что блестящая поверхность меньше излучает и меньше поглощает, чем черная. Сделав термометр дифференциальным, и придав всему расположению вид, изображенный на втором рисунке, мы заметим, что капля в дифференциальном термометре остается на месте, т. е. оба резервуара Q1 и Q2 получают одинаковое количество тепла. В таком видоизменении этот опыт позволяет заключить, что поглощательная способность какой-либо поверхности пропорциональна ее испускательной способности.
Рис. 3.2. Приборы для демонстрации правила Прево
G — излучающий сосуд; Q — воздушный термометр.
Правило Прево, устанавливающее связь между способностью тела поглощать и излучать тепло, имело качественный характер. Полстолетия спустя Кирхгоф (1859 г.) придал ему вид строгого количественного закона, играющего основную роль во всех вопросах теплового излучения.
При падении па поверхность какого-либо тела лучистого потока наблюдаются следующие явления:
А) часть потока отражается обратно в окружающее пространство. При этом происходит или зеркальное отражение, или поверхностное рассеяние потока в зависимости от структуры поверхности тела;
Б) часть потока проходит через тело;
В) остальная часть потока поглощается телом, и его энергия превращается в другие виды энергии.
Величина r, равная отношению лучистого потока Fr, отраженного телом, к лучистому потоку F, падающему на поверхность тела, называется Коэффициентом отражения:
Величина t, равная отношению лучистого потока Ft, прошедшего через данное тело (среду), к лучистому потоку F, падающему на данное тело (среду), называется Коэффициентом пропускания
Величина a, равная отношению лучистого потока Fa, поглощенного телом, к лучистому потоку, падающему на тело, называется коэффициентом поглощения тела
Из закона сохранения энергии следует, что
Fr+Ft+Fa=F, поэтому r+t+a=1.
Измерения показывают, что коэффициенты поглощения, пропускания и отражения тела зависят от длины волны падающего излучения и от температуры тела.
Для монохроматического излучения они называются Спектральными коэффициентами поглощения, пропускания и отражения и обозначаются (для данной температуры тела) rl, tl, al.
Зависимость коэффициентов r, t, a от длины волны является во многих случаях причиной окрашенности тел, не излучающих собственного света. Если тело при освещении его белым светом имеет красный цвет, то его коэффициент поглощения для коротковолновой части видимого спектра близок к единице, а для длинноволновой — нулю. Соответственно коэффициент отражения этого тела для красных лучей близок к единице, а для зелено-фиолетовых — близок к нулю.
Цвет тела существенно зависит и от спектрального состава падающего на него света. При освещении указанного тела синим светом оно будет казаться почти черным, так как синие лучи ими почти полностью поглощаются. Окраска прозрачных тел также определяется зависимостью коэффициента пропускания от длины волны. Например, вещество, сильно поглощающее все лучи, кроме синих, будет играть роль фильтра, выделяющего из белого света только синие лучи. Можно подобрать различные вещества, из которых одни пропускают только красные лучи, другие — только синие и т. д., причем остальные лучи поглощаются. Такие вещества употребляются для изготовления светофильтров. Их вводят или прямо в состав стекла, или в слои желатины (или прозрачной пластмассы), которые помещаются между двумя обычными стеклами.
Тело, которое поглощает полностью все падающие на него излучения любой длины волны при любой температуре, называют Абсолютно черным (точнее абсолютно поглощающим) Телом. Его коэффициент поглощения для всех длин волн при любых температурах равен единице.
Абсолютно черных тел в природе нет, но существуют тела, которые по своим свойствам практически не отличаются от абсолютно черного. Такой моделью абсолютно черного тела является полость с очень малым отверстием (рис. 4). Внутренняя поверхность полости зачернена. Луч (любой длины волны), попавший внутрь такой полости, может выйти из нее обратно только после многократных отражений. При каждом отражении от стенок полости часть энергии луча поглощается и лишь ничтожная доля энергии лучей, попавших в отверстие, сможет выйти обратно; поэтому коэффициент поглощения отверстия оказывается весьма близким к единице. Такая модель абсолютно черного тела может быть нагрета до высоких температур; тогда из отверстия в полости выходит интенсивное излучение, и отверстие будет ярко светиться (при этом оно по-прежнему остается абсолютно поглощающим). Излучение абсолютно черного тела иногда называется «черным излучением», а само тело — «полным излучателем». Во всех исследованиях с абсолютно черным телом пользуются именно описанным устройством, значительно превосходящим по своим характеристикам поверхность, покрытую платиновой чернью или сажей. Следует отметить, что высокие поглощающие свойства этих материалов отчасти объясняются их пористостью, особенно для сажи, благодаря чему свет, попавший на них, испытывает несколько отражений, прежде чем получает возможность выйти из толщи материала. Таким образом, чернота сажи особенно повышается благодаря ее пористости. Этим же объясняется насыщенный цвет бархата или вообще тканей с длинным ворсом, в противоположность белесоватому тону гладких тканей, отражающих разные длины волн. Топочное устройство с «глазком» в плавильных или коксовых печах, муфельные печи с отверстием, зрачок глаза являются примерами практических абсолютно черных тел.
Встречаются тела, для которых коэффициент поглощения меньше единицы, но не зависит от длины волны. Такие тела называются «серыми».
Нагретые тела излучают электромагнитные волны различных длин. Для характеристики теплового излучения используется величина потока энергии Ф, т. е. количества энергии, излучаемого в единицу времени (мощность излучения). Поток, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называется Испускательной способностью. Определенная таким образом испускательная способность соответствует светимости и иногда называется энергетиЧеской светимостью или интегральной плотностью излучения (R).
Таким образом, количество энергии, излучаемой с 1м2 поверхности тела за одну секунду по всем длинам волн, называется интегральной плотностью излучения R.
Измерения показывают, что энергия излучения распределяется неравномерно между всеми длинами волн, которые испускаются нагретым телом.
Величина rlT называется Спектральной плотностью излучения тела и является функцией распределения энергии по спектру. Она выражает собой мощность излучения с 1 м2 поверхности тела, приходящуюся на единичный интервал длин волн спектра вблизи данной длины волны l.
Cпектральная плотность излучения данного тела зависит от длины волны l, вблизи которой взят интервал DL, и от температуры тела Т.
Интегральная плотность излучения тела связана со спектральной плотностью излучения соотношением
Установлено, что испускательные и поглощательные способности тел пропорциональны. Эту пропорциональность можно наблюдать, если внутрь нагретой полости (например, внутрь муфельной печи) внести фарфоровый черепок, часть которого зачернена тушью. Когда черепок нагреется и примет температуру полости, отличить темные места черепка от светлых, незачерненных, оказывается невозможным. Темные участки больше поглощают, но и больше излучают, а светлые меньше излучают, зато больше отражают. Вынув черепок из печи, мы заметим яркое свечение зачерненных участков, так как теперь они больше излучают, чем светлые (отраженное излучение от них отсутствует, так как нет падающего излучения).
Получение света от пламени горящей свечи основано на той же пропорциональности между испускательной и поглощательной способностями тел. В пламени имеются частицы сажи, обладающие большим поглощением; они и дают яркий свет. Если пламя не содержит частиц сажи (например, пламя газовой горелки), оно не будет светиться.
Результаты экспериментальных исследований и термодинамические рассуждения привели к следующему утверждению (закон. Кирхгофа):
Для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности излучения к спектральному коэффициенту поглощения при той же температуре и для тех же длин волн есть Универсальная функция длины волны и температуры.
Таким образом, закон Кирхгофа можно выразить равенством
, (3.10)
Где индексы 1, 2, … относятся к первому, второму и т. д. телам. Допустим, что одно из этих тел — абсолютно черное. Обозначим его спектральную плотность излучения через ulT. Учитывая, что коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице, можем написать закон Кирхгофа так:
. (3.11)
Следовательно, Универсальная функция Кирхгофа F (L, T) есть спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, т. е., F (L, T)=ULT , Поэтому отношение спектральной плотности излучения любого тела к его спектральному коэффициенту поглощения равно спектральной плотности излучения абсолютно черного тела для той же длины волны и при той же температуре.
Источник
