Глава 25. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

25.1. ПРИРОДА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Перенос тепла кондукцней и конвекцией характеризуется вектором, который вполне определяется в каждой точке среды локальным градиентом температуры. В противоположность этому плотность лучистого потока в произвольном, относительно малом объеме прозрачной среды не зависит от температуры этого объема, а определяется излучением внешних источников. Поэтому вектор, характеризующий перенос тепла излучением, определяется интегрально. Тепловое излучение, являющееся по своей природе процессом распространения электромагнитных волн, характеризуется спектром частот, который соответствует энергетическому уровню структурных частиц вещества при рассматриваемой температуре. Интегральное тепловое излучение тел одинаковой температуры определяется их атомной и молекулярной структурой, а также формой и состоянием поверхности тел, т. е. физическими свойствами среды.

Носителем теплового излучения являются электромагнитные волны, которые распространяются в однородной изотропной среде или вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики. Электромагнитные волны характеризуются длиной волны и частотой колебаний v, которые связаны между собой соотношением

    (25.1.1)

а энергия одного кванта

    (25.1.2)

Здесь с — скорость света, равная в абсолютном вакууме постоянная Планка.

Распределение энергии по длинам волн и частотам в спектре излучающего тела связано с температурным уровнем и физической структурой тела. Существует некоторое распределение энергии, соответствующее максимально возможному тепловому излучению тела при заданной температуре. Тело, обладающее таким спектром, называется абсолютно черным. Абсолютно черное тело поглощает полностью любое падающее на него тепловое излучение. Свойства реальных тел в большей или меньшей степени отклоняются от свойств абсолютно черного тела. Распределение энергии излучения абсолютно черного тела соответствует условиям термодинамического равновесия и однозначно определяется лишь его температурой. В связи с этим излучение абсолютно черного тела иногда называют равновесным излучением.

Рис. 25.1. Модель абсолютного черного тела

Моделью абсолютно черной излучающей поверхности является отверстие полости, оболочка которой равномерно прогрета (рис. 25.1). Отверстие в оболочке настолько мало , что выход излучения через него не в состоянии нарушить термодинамическое равновесие в полости. Эта конструкция является одновременно моделью абсолютно черного тела для поглощения излучения. Как видно из схемы на рис. 25.1, многократное отражение луча, вошедшего в полость через малое отверстие, обеспечивает практически полное его поглощение стенками полости даже при их значительной отражательной способности. В природе подобные условия достаточно хорошо моделируются кавернами и углублениями в пористых и рыхлых поверхностях сыпучих сред.

В настоящее время принято считать, что тепловое излучение занимает широкую область длин волн — от 0,72 до 1000 мм, расположенную между красной границей видимого спектра и границей коротковолновой части миллиметрового диапазона электромагнитных волн.

В табл. 25.1 представлено условное разбиение инфракрасного спектра на три области. Там же приведены в соответствии с интервалом длин волн диапазоны температур абсолютно черного тела, имеющего максимум излучения при указанной длине волны.

Таблица 25.1. Диапазоны длин волн теплового излучения и соответствующие им диапазоны температур абсолютно черного тела

Тепловое излучение представляет собой колебательный процесс в плоскостях, перпендикулярных направлению излучения. При этом обычно невозможно выделить плоскость преимущественного направления колебаний. В связи с этим тепловое излучение принято считать неполяризованным. Исключение составляет излучение блестящих металлических поверхностей, для которых удается выделить плоскость с наибольшей энергией колебаний (поляризованное излучение).

Спектр излучения твердых тел является непрерывным; спектр излучения газов — прерывистым, т. е. излучение селективно. Селективным излучением и поглощением обладают также некоторые твердые тела (например, кварц), имеющие наиболее выраженный объемный характер высвечивания или поглощения. У большинства твердых тел поглощение и излучение происходят в весьма тонком пограничном слое. Это дает основание в феноменологической теории излучательные характеристики приписывать непосредственно геометрическим поверхностям тел. Поверхность тела в общем случае частично поглощает, частично отражает и частично пропускает тепловое излучение, падающее из окружающего пространства. Поглощенное излучение превращается в тепловую энергию тела, которая, будучи трансформирована в лучистую, вновь участвует в собственном излучении данного тела.