Львів
C
» » Променистий теплообмін: поняття, розрахунок

Променистий теплообмін: поняття, розрахунок

Тут читач знайде загальну інформацію про те, що таке теплообмін, а також буде розглянуто детально явище променистого теплообміну, підпорядкування його певним законам, особливості протікання процесу, формула тепла, використання людиною теплообміну та його протікання в природі.

Вступ до теплообмін

Променистий теплообмін: поняття, розрахунок
Щоб зрозуміти суть променистого теплообміну, необхідно для початку розуміти його суть і знати, що це таке? Теплообмін – це зміна показника енергії внутрішнього типу без перебігу роботи над об'єктом або суб'єктом, а також без здійснення роботи тілом. Такий процес завжди протікає в конкретному напрямку, а саме: тепло переходить від тіла з великим показником температури, до тіла з меншою. По досягненню вирівнювання температур між тілами процес припиняється, а здійснюється він за допомогою теплопровідності, конвекції і випромінювання.


  • Теплопровідність – це процес передачі енергії внутрішнього типу від одного фрагмента тіла до іншого або між тілами при здійсненні ними контакту.
  • Конвекція – це теплопередача, здійснювана в результаті переносу енергії разом з рідинними або газовими потоками.
  • Випромінювання має електромагнітний характер, завдяки випускається внутрішньої енергії речовини, яка перебуває у стані певної температури.
  • Формула тепла дозволяє робити розрахунки з визначення кількості переданої енергії, однак вимірювані величини залежать від природи протікає процесу:
  • Q = cm?t = cm(t 2 – t 1 ) – нагрівання та охолодження;
  • Q = m? – кристалізація та плавлення;
  • Q = mr – парова конденсація, кипіння та випаровування;
  • Q = mq – згоряння палива.
  • Взаємозв'язок тіла і температури

    Щоб розуміти, що ж таке променистий теплообмін, необхідно знати основи законів фізики про інфрачервоному випромінюванні. Важливо пам'ятати, що будь-яке тіло, температура якого вище нуля в абсолютній відмітці, завжди випромінює енергію теплового характеру. Вона лежить в діапазоні інфрачервоного спектру хвиль електромагнітної природи.


    Проте різноманітні тіла, маючи однаковий показник температури, будуть володіти різною здатністю випускати променисту енергію. Ця характеристика буде залежати від різних факторів, таких як: будова тіла, природа, форма і поверхневе стан. Природа електромагнітного випромінювання відноситься до двоїстої, корпускулярно-хвильовий. Поле електромагнітного типу має квантовий характеру, а його кванти представлені фотонами. Взаємодіючи з атомами, фотони поглинаються і передають свій запас енергії електронам, фотон зникає. Енергія показника теплового коливання атома в молекулі зростає. Іншими словами, випромінювана енергія перетворюється в теплоту. Випромінювана енергія вважається головною величиною і позначається знаком W, вимірюються джоулями (Дж). У потоці випромінювання виражається середнє значення потужності за проміжок часу, набагато перевищує періоди коливань (енергія випромінюється протягом одиниці часу). Випромінювана потоком одиниця виражається в джоулях, ділених на секунду (Дж/с), загальноприйнятим варіантів вважається ватт (Вт).
    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок

    Ознайомлення з променистим теплообміном

    Тепер докладніше про явище. Променистий теплообмін – це обмін тепла, процес передачі її від одного тіла до іншого, має інший показник температури. Відбувається за допомогою інфрачервоного випромінювання. Воно є електромагнітним і лежить в областях спектрів хвиль електромагнітної природи. Діапазон хвилі лежить в межах від 077 до 340 мкм. Діапазони від 340 до 100 мкм вважаються довгохвильовими, до средневолновому діапазону відносяться 100 - 15 мкм, а від 15 до 077 мкм відносяться до короткохвильових. Короткохвильової ділянку інфрачервоного спектру прилягає до світла видимого типу, а довгохвильові ділянки хвиль йдуть в області ультракороткій радіохвилі. Інфрачервоному випромінюванню властиво прямолінійне поширення, воно здатне переломлюватися, відбиватися і поляризуватися. Здатне проникати через деякий перелік матеріалів, які є непрозорими для видимого випромінювання.
    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок
    Іншими словами, променистий теплообмін можна охарактеризувати як перенесення тепла у формі енергії електромагнітної хвилі, процес при цьому протікає між поверхнями, які перебувають у процесі взаємного випромінювання. Показник інтенсивності визначається взаємним розташуванням поверхонь, випромінювальними і поглощательными здібностями тел. Променистий теплообмін між тілами відрізняється від конвекційного і теплопровідного процесів тим, що тепло здатне спричинити крізь вакуум. Схожість цього явища з іншими обумовлена передачею тепла між тілами з різним температурним показником.

    Потік випромінювання

    Променистий теплообмін між тілами має деяку кількість потоків випромінювання:
  • Потік випромінювання власного типу – Е, який залежить від показника температур T і оптичних характеристик тіла.
  • Потоки падаючого випромінювання.
  • Поглинені, відображені і пропускалися типи потоків випромінювання. В сумі вони дорівнюють Е пад .
  • Середовище, в якому відбувається теплообмін, може займатися поглинанням випромінювання і привносити власне. Променистий теплообмін між деякою кількістю тіл описується потоком випромінювання ефективного характеру: E ЕФ =E+E ОТР =E+(1-A)E ПАД .
    Тіла, в умовах будь-якої температури мають показники Л=1 R=0 Про=0 називають «абсолютно чорними». Людина створила поняття «чорного випромінювання». Воно відповідає своїми температурними показниками рівноваги тіла. Що випускається енергія випромінювання обчислюється за допомогою температурою суб'єкта або об'єкта, природа тіла на це не впливає.

    Слідуючи законам Больцмана

    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок
    Людвіг Больцман, що жив на території Австрійської імперії в 1844-1906 роках, створив закон Стефана-Больцмана. Саме він дозволив людині краще зрозуміти суть обміну тепла і оперувати інформацією, вдосконалюючи її упродовж багатьох років. Розглянемо його формулювання. Закон Стефана-Больцмана – це закон інтегрального характеру, описує деякі особливості абсолютно чорних тел. Він дозволяє визначати залежності щільності потужності випромінювання абсолютно чорного тіла від його температурного показника.

    Підпорядкування закону

    Закони променистого теплообміну підкоряються закону Стефана-Больцмана. Рівень інтенсивності передачі тепла через теплопровідність і конвекцію пропорційний температурі. Промениста енергія в тепловому потоці пропорційна показником температури в четвертого ступеня. Виглядає це так: q = ? A (T 1 4 – T 2 4 ). У формулі q – це потік тепла, A – поверхнева площа тіла, що випромінює енергію, T 1 і T 2 – величина температур випромінюючих тіл і оточення, яке займається поглинанням цього випромінювання. Вищевказаний закон випромінювання тепла в точності описує лише ідеальне випромінювання, створюване абсолютно чорним тілом (а. ч. т.). Таких тіл в життя практично немає. Однак плоскі поверхні чорного кольору наближаються до а.ч.т. Випромінювання світлих тіл відносно слабке. Існує коефіцієнт випромінювальної здатності, введений для обліку відхилення від ідеальності численної кількості с. т. в праву складову вирази, роз'яснює закон Стефана-Больцмана. Показник випромінювальної здатності дорівнює значенню, меншому одиниці. Плоска чорна поверхня може доводити цей коефіцієнт до 098 а металеве дзеркало не перевищить і 005. Отже, лучепоглощающіе здібності високі для чорних тіл і низькі для дзеркальних.
    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок

    Про сірому тілі (с. т.)

    У теплообміні часто зустрічається згадка такого терміна, як сіре тіло. Цей об'єкт являє собою тіло, яке має коефіцієнт спектрального типу поглинання електромагнітного випромінювання менше одного, який не спирається на хвильову довжину (частоту). Випромінювання тепла є однаковим у відповідності зі спектральним складом випромінювання чорного тіла з тією ж температурою. Відрізняється сіре тіло від чорного меншим показником енергетичної сумісності. На спектральний рівень чорноти с. т. довжина хвилі не впливає. У видимому світлі сірого тіла близька сажа, кам'яне вугілля та платиновий порошок (чернь).

    Області застосування знань про теплообміні

    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок
    Випромінювання тепла відбувається постійно навколо нас. У житлових і офісних приміщеннях часто можна зустріти електричні обігрівачі, які займаються теплоизлучением, і ми його бачимо у формі червонуватого світіння спіралі – таке тепло ставиться до мабуть, воно «стоїть» у межі інфрачервоного спектру. Обігрівом приміщення, насправді, займається невидима складова інфрачервоного випромінювання. Прилад нічного бачення застосовує джерело випромінювання тепла і приймачі, чутливі до випромінювання інфрачервоного природи, які і дозволяють добре орієнтуватися в темряві.

    Енергія Сонця

    Променистий теплообмін: поняття, розрахунок
    Сонце по праву є найпотужнішим випромінювачем енергії, що носить тепловий характер. Воно обігріває нашу планету з відстані в сто п'ятдесят мільйонів кілометрів. Показник інтенсивності сонячного випромінювання, який був зареєстрований протягом багатьох років і різними станціями, що знаходяться в різноманітних куточках землі, відповідає приблизно 137 Вт/м 2 . Саме енергія сонця є джерелом життя на планеті Земля. В даний час безліч умів займаються спробами знайти найбільш ефективний спосіб її використання. Зараз нам відомі сонячні батареї, здатні обігрівати житлові будівлі та отримувати енергію для потреб повсякденності.

    На закінчення

    Підводячи підсумки, тепер читач може дати визначення променистому теплообміну. Описувати це явище в житті і природі. Промениста енергія є основною характеристикою хвилі переданої енергії в такому явищі, а перераховані формули показують способи її розрахунку. У загальному положенні сам процес підкоряється закону Стефана-Больцмана і може мати три форми, що залежать від його природи: потік падаючого випромінювання, випромінювання власного типу і відбите, поглинене і пропускаемое.