Излучение. Закон Стефана-Больцмана.

Тепловое излучение есть результат сложных внутриатомных процессов. Оно определяется тепловым состоянием или температурой тел, которые его испускают. Носителем теплового излучения является поток частиц энергии, называемых фотонами или квантами энергии. По­ток фотонов обладает свойствами электромагнитных волн. Все виды электромагнитного излучения, имеют одинаковую природу и разли­чаются лишь длиной волны λ (от 0,05- 10~^s мкм — космического до x_HIi — радиоволнового). Область длин волн от А, = 0,4 мкм до а = = 0,8 мкм соответствует видимому (световому) излучению. Тепловое или инфракрасное излучение характеризуется длинами волн 0,8 ...

800 мкм: Оно представляет наибольший интерес. Процесс распростра­нения инфракрасных и световых лучей называется тепловым излуче­нием или радиацией.

С другой стороны, к видимой области примыкает коротковолновое ультрафиолетовое излучение (λ = 2-10"² ...0,4 мкм). Рентгеновские лучи характеризуются еще меньшей длиной волны (λ = 10~°...-2- 1С "^а мкм).

Несмотря на разнообразие свойств излучения, в различных областях длин волн для него могут быть установлены некоторые общие законы. Так, известные из оптики законы распространения, отражения ипре­ломления видимого света остаются справедливыми и для излучения волн любой длины а.

Энергия, излучаемая телом, или поток излучения Ф_е, падая на
другие тела, частично ими поглощается, частично отражается и час­-
тично проходит сквозь их толщу. Отношение потока излучения, погло-­
щенного телом Ф_а,_,, к потоку излучения, падающему на тело Ф_с, на­-
зывается коэффициентом поглощения тела а = Ф_Л/Ф_е; отношение от­-
раженного Ф_р к падающему — коэффициентом отражения р = Ф_р/Ф_е
и отношение пропущенного Ф_т к падающему — коэффициентом про­
пускания Т = Ф_т/Ф_е.

Если р = 0 и Т = 0, то а = 1, то есть тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Такое тело называют абсолютно черным телом или полным излучателем. В природе абсолютно черных тел нет и, следовательно, для физических тел всегда а < 1.

Тела, у которых а == 0, р = 0 и Т= 1, называют прозрачными или диатермичными телами. Прозрачными (проницаемыми) для тепловых лучей являются, в частности, двухатомные газы О₂, N₂ и Н._;.

Тела, у которых а = 0, Т = 0 и р == 1 и процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики, называют зеркальными, если же отражение диффузное — абсолютно белыми.

Согласно закона Стефана-Больцмана, количество энергии Е_о (Дж), излучаемой абсолютно черным телом, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела Т:

, (2.30)

 

где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный С_о=5,77 Вт/(м^2.К⁴).

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое поглощает всю лучистую тепловую энергию. Если часть энергии отражается от тела, то оно называется серым и характеризуется коэффициентом черноты =Е/Ео, т.е. отношением энергии, излучаемым серым телом Е, к энергии излучения абсолютно черного тела Е_о..

Закон Стефана-Больцмана справедлив и для серых тел:

 

, (2.31)

 

где С – коэффициент излучения серого тела, который изменяется в пределах от 0 до 5,67 .

Коэффициенты черноты некоторых тел:

Таблица 2.3

лак черный матовый сажа ламповая чугунное литье стекло эмаль белая дерево серебро полированное

0,96-0,98; 0,95; 0,81; 0,91-0,94; 0,9; 0,8-0,9; 0,02-0,03.

 

Теплообмен излучением между двумя параллельными поверхностями с коэффициентами излучения С₁ и С₂ вычисляется по уравнению:

 

, (2.32)

 

где С_пр – приведенный коэффициент излучения, равный

 

. (2.33)