Теплообмен излучением

При очень высоких температурах, характерных для камер сгора­ния двигателей, термоядерных энергетических установок, при на­греве спускаемых аппаратов, входящих в плотные слои атмосфе­ры, а также для нашего Солнца, основную долю в передаче тепла составляют лучевой поток электромагнитной энергии, скорость ко­торого составляет с = 3 10 8 м/с.

Один из основных законов излучения — закон Стефана-Больц­мана — был установлен экспериментально Стефаном в 1889 г. и теоретически Л. Больцманом в 1894 г.:

E0 = G0t Вт/м2, •

где (Т q — константа Стефана-Больцмана. Таким образом излуча­тельная способность единицы поверхности нагретого тела пропор­циональна четвертой степени абсолютной температуры.

Теплопередача излучением происходит по закону, напоминаю­щему ньютоновский:

Q = g0{T*-T*),BtIu2,

где Т j — температура нагретого тела, которое отдает тепло, а Т2 — холодного, воспринимающего тепло тела. Везде значок "о" означает, что речь идет об идеальном абсолютно черном теле.

Давление электромагнитного излучения в замкнутом сосуде оп­ределяется по формуле

0 = 2,51- 10-1б7’4Па=2,51 10~21 Т4 ата,

откуда, сравнивая его с газовым давлением при постоянном объеме сосуда

P^Wi’°5

получим, что равенство между ними устанавливается при Т = = 1130000 К. Это означает, что при реакциях термоядерного синтеза (10—100 млн. К) световое давление будет в сотни и тысячи раз превышать газовое.

Солнечное давление на орбите Земли составляет для погло­щающих поверхностей со степенью черноты £ =0,72 около 0,6- 10-5 Па, а для отражающих поверхностей около 10“5 Па. Экспе1 риментально давление солнечного света было впервые исследовано П. Н. Лебедевым в 1901 г.

В соответствии с законом Кирхгофа отношение Излучательной способности нагретого тела к его лучепоглощательной способности зависит только от температуры, откуда £=А, то есть степень чер­ноты тела е равны его поглощйтелъной способности А.

В соответствии с законом Ламберта излучательная способ­ность нагретого тела в любом направлении равна

Eq>=Encos^,

Где ф — угол с нормалью к выделенной площадке тела. Иногда этот закон именуют законом косинусов.

Кроме рассмотренных интегральных законов существуют спект­ральные законы излучения и прежде всего — закон Вина, устано­вившего в 1893 г., что произведение абсолютной температуры на длину волн максимальной интенсивности излучения, есть вели­чина постоянная:

™твх=2>9 Ю-3 м • К.

Этот закон можно применять до 1500 К, а далее постоянная воз­растает. Экспериментально закон можно проверить, нагревая же-

33

лезный прут. Излучение сначала идет в красной области спектра, а затем постепенно переходит в его оранжевую и желтую часть.

Закон Планка, теоретически установленный М. Планком в 1901 г. позволяет математически описать спектр электромагнитного излучения:

где постоянные Планка:

Сi=0,37 10 15 Вт м2 н С2=1,439~2 м К. Здесь X длина вол­ны, м.

Таким образом, существуют три различных по физической при­роде способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лу­чистый теплообмен, которые в реальных условиях всегда действуют совместно, хотя изучаются (исследуются) чаще всего порознь. Роль наук’о тепломассообмене, то есть наук, охватываемых неравновес­ной термодинамикой, будет неуклонно возрастать, причем не толь­ко в связи с развитием техники летательных аппаратов, увеличения скорости их полета в атмосфере, достижения и преодоления тепло­вого барьера, выхода в Дальнее и околосолнечное космическое про­странство, но и в связи с проблемой глобального климата.