Здесь читатель найдет общую информацию о том, что такое теплообмен, а также будет рассмотрено детально явление лучистого теплообмена, подчинение его определенным законам, особенности протекания процесса, формула тепла, использование человеком теплообмена и его протекание в природе.
Вступление в теплообмен
Чтобы понять суть лучистого теплообмена, необходимо для начала понимать его суть и знать, что это такое?
Теплообмен – это изменение показателя энергии внутреннего типа без протекания работы над объектом или субъектом, а также без совершения работы телом. Такой процесс всегда протекает в конкретном направлении, а именно: тепло переходит от тела с большим показателем температуры, к телу с меньшим. По достижению выравнивания температур между телами процесс прекращается, а осуществляется он при помощи теплопроводности, конвекции и излучения.
- Теплопроводность – это процесс передачи энергии внутреннего типа от одного фрагмента тела к другому или между телами при совершении ими контакта.
- Конвекция – это теплопередача, осуществляемая в результате переноса энергии вместе с жидкостными или газовыми потоками.
- Излучение носит электромагнитный характер, испускается благодаря внутренней энергии вещества, которое находится в состоянии определенной температуры.
Формула тепла позволяет делать расчеты по определению количества переданной энергии, однако измеряемые величины зависят от природы протекающего процесса:
- Q = cmΔt = cm(t2 – t1) – нагревание и охлаждение;
- Q = mλ – кристаллизация и плавление;
- Q = mr – паровая конденсация, кипение и испарение;
- Q = mq – сгорание топлива.
Взаимосвязь тела и температуры
Чтобы понимать, что же такое лучистый теплообмен, необходимо знать основы законов физики об инфракрасном излучении. Важно помнить, что любое тело, температура которого выше нуля в абсолютной отметке, всегда излучает энергию теплового характера. Она лежит в диапазоне инфракрасного спектра волн электромагнитной природы.
Однако разнообразные тела, имея одинаковый показатель температуры, будут обладать разной способностью испускать лучистую энергию. Эта характеристика будет зависеть от различных факторов, таких как: строение тела, природа, форма и поверхностное состояние. Природа электромагнитного излучения относится к двойственной, корпускулярно-волновой. Поле электромагнитного типа имеет квантовый характера, а его кванты представлены фотонами. Взаимодействуя с атомами, фотоны поглощаются и передают свой запас энергии электронам, фотон исчезает. Энергия показателя теплового колебания атома в молекуле возрастает. Другими словами, излучаемая энергия превращается в теплоту.
Излучаемая энергия считается главной величиной и обозначается знаком W, измеряется джоулями (Дж). В потоке излучения выражается среднее значение мощности за промежуток времени, гораздо превышающий периоды колебаний (энергия излучаемая в течении единицы времени). Излучаемая потоком единица выражается в джоулях, деленных на секунду (Дж/с), общепринятым вариантов считается ватт (Вт).
Ознакомление с лучистым теплообменом
Теперь подробнее о явлении. Лучистый теплообмен – это обмен тепла, процесс передачи его от одного тела к другому, имеющему иной показатель температуры. Происходит при помощи инфракрасного излучения. Оно является электромагнитным и лежит в областях спектров волн электромагнитной природы. Диапазон волны лежит в пределах от 0.77 до 340 мкм. Диапазоны от 340 до 100 мкм считаются длинноволновыми, к средневолновому диапазону относятся 100 - 15 мкм, а от 15 до 0.77 мкм относятся к коротковолновым.
Коротковолновой участок инфракрасного спектра прилегает к свету видимого типа, а длинноволновые участки волн уходят в области ультракороткой радиоволны. Инфракрасному излучению свойственно прямолинейное распространение, оно способно преломляться, отражаться и поляризоваться. Способно проникать через некоторый перечень материалов, которые являются непрозрачными для видимого излучения.
Другими словами, лучистый теплообмен можно охарактеризовать как перенос тепла в форме энергии электромагнитной волны, процесс при этом протекает между поверхностями, находящимися в процессе взаимного излучения.
Показатель интенсивности определяется взаимным расположением поверхностей, излучательными и поглощательными способностями тел. Лучистый теплообмен между телами отличается от конвекционного и теплопроводного процессов тем, что тепло способно пересылаться сквозь вакуум. Схожесть этого явления с другими обусловлена передачей тепла между телами с различным температурным показателем.
Поток излучения
Лучистый теплообмен между телами имеет некоторое количество потоков излучения:
- Поток излучения собственного типа – Е, который зависит от показателя температур T и оптических характеристик тела.
- Потоки падающего излучения.
- Поглощенные, отраженные и пропускаемые типы потоков излучения. В сумме они равняются Епад.
Среда, в которой происходит теплообмен, может заниматься поглощением излучения и привносить собственное.
Лучистый теплообмен между некоторым количеством тел описывается потоком излучения эффективного характера:
EЕФ=E+EОТР=E+(1-A)EПАД.
Тела, в условиях любой температуры имеющие показатели Л=1, R=0 и О=0, называют «абсолютно черными». Человек создал понятие «черного излучения». Оно соответствует своими температурными показателями равновесию тела. Испускаемая энергия излучения вычисляется при помощи температурой субъекта или объекта, природа тела на это не влияет.
Следуя законам Больцмана
Людвиг Больцман, живший на территории Австрийской империи в 1844-1906 годах, создал закон Стефана-Больцмана. Именно он позволил человеку лучше понять суть обмена тепла и оперировать информацией, усовершенствуя ее на протяжении многих лет. Рассмотрим его формулировку.
Закон Стефана-Больцмана – это закон интегрального характера, описывающий некоторые особенности абсолютно черных тел. Он позволяет определять зависимости плотности мощности излучения абсолютно черного тела от его температурного показателя.
Подчинение закону
Законы лучистого теплообмена подчиняются закону Стефана-Больцмана. Уровень интенсивности передачи тепла через теплопроводность и конвекцию пропорционален температуре. Лучистая энергия в тепловом потоке пропорциональная показателю температуры в четвертой степени. Выглядит это так:
q = σ A (T14 – T24).
В формуле q – это поток тепла, A – поверхностная площадь тела, излучающего энергию, T1 и T2 – величина температур излучающих тел и окружения, которое занимается поглощением этого излучения.
Вышеуказанный закон излучения тепла в точности описывает лишь идеальное излучение, создаваемое абсолютно черным телом (а. ч. т.). Таких тел в жизни практически нет. Однако плоские поверхности черного цвета приближаются к а.ч.т. Излучение светлых тел относительно слабое.
Существует коэффициент излучательной способности, введенный для учета отклонения от идеальности многочисленного количества с.т. в правую составную выражения, разъясняющего закон Стефана-Больцмана. Показатель излучательной способности равен значению, меньшему единицы. Плоская черная поверхность может доводить этот коэффициент до 0.98, а металлическое зеркало не превысит и 0.05. Следовательно, лучепоглощающие способности высоки для черных тел и низки для зеркальных.
О сером теле (с.т.)
В теплообмене часто встречается упоминание такого термина, как серое тело. Этот объект представляет собой тело, которое имеет коэффициент спектрального типа поглощения электромагнитного излучения меньше одного, который не опирается на волновую длину (частоту).
Излучение тепла является одинаковым в соответствии со спектральным составом излучения черного тела с той же температурой. Отличается серое тело от черного меньшим показателем энергетической совместимости. На спектральный уровень черноты с.т. длина волны не влияет. В видимом свете к серому телу близка сажа, каменный уголь и платиновый порошок (чернь).
Области применения знаний о теплообмене
Излучение тепла происходит постоянно вокруг нас. В жилых и офисных помещениях часто можно встретить электрические обогреватели, которые занимаются теплоизлучением, и мы его видим в форме красноватого свечения спирали – такое тепло относится к видимому, оно «стоит» у границы инфракрасного спектра.
Обогревом помещения, на самом деле, занимается невидимая составная инфракрасного излучения. Прибор ночного видения применяет источник излучения тепла и приемники, чувствительные к излучению инфракрасной природы, которые и позволяют хорошо ориентироваться в темноте.
Энергия Солнца
Солнце по праву является мощнейшим излучателем энергии, носящей тепловой характер. Оно обогревает нашу планету с расстояния в сто пятьдесят миллионов километров. Показатель интенсивности солнечного излучения, который был зарегистрирован в течение многих лет и различными станциями, находящимися в разнообразных уголках земли, соответствует приблизительно 1.37 Вт/м2.
Именно энергия солнца является источником жизни на планете Земля. В настоящее время множество умов занимаются попытками найти наиболее эффективный способ ее использования. Сейчас нам известны солнечные батареи, способные обогревать жилые постройки и получать энергию для нужд повседневности.
В заключение
Подводя итоги, теперь читатель может дать определение лучистому теплообмену. Описывать это явление в жизни и природе. Лучистая энергия является основной характеристикой волны передаваемой энергии в таком явлении, а перечисленные формулы показывают способы ее расчета. В общем положении сам процесс подчиняется закону Стефана-Больцмана и может иметь три формы, зависящие от его природы: поток падающего излучения, излучения собственного типа и отраженное, поглощенное и пропускаемое.
