Лучистый теплообмен

Передача тепловой энергии между телами может осуществляться двумя способами — при помощи лучистого теплообмена и теплопередачи. Теплопередача происходит практически во всём интервале температур, а лучистый теплообмен соответствует электромагнитному излучению в диапазоне спектра ${\displaystyle 0,74\div 1000\,{\text{мкм}}}$. В повседневной жизни с помощью лучистого теплообмена происходит передача тепловой энергии от Солнца, открытого огня, при пожаре, работе электронагревателей (электрический камин, утюг, грелка), а также при работе нагревательных батарей^[2]. Лучистый теплообмен может происходить в вакууме^[3].

Схема механизма лучистого теплообмена показан на рисунке. На нём представлены два тела, А и Б, причём температура тела А больше температуры тела Б. Переход внутренней энергии тела А в лучистую энергию электромагнитного излучения показан переходом 1. Энергия излучённого телом А электромагнитного излучения передаётся телу Б, нагревая его (показано переходом 2). Тело Б, энергия которого увеличилась, также излучает электромагнитные волны (переход 3). В замкнутой системе тела А и Б будут обмениваться энергиями до тех пор, пока не установится тепловое равновесие^[4].

Суммарное количество энергии, излучённое поверхностью тела за единицу времени, называется полным (интегральным) потоком излучения ${\displaystyle Q}$. Излучательная способность тела определяется как:

${\displaystyle E={\frac {dQ}{dF}}=\int \limits _{F}EdF,}$ (1)

где ${\displaystyle dF}$ — элементарная площадка на поверхности излучающего тела.

Основными законами лучистого теплообмена являются закон Планка:

${\displaystyle I_{\lambda 0}={\frac {C_{1}\lambda ^{-5}}{e^{\frac {C_{2}}{\lambda T}}-1}},}$ (2)

где ${\displaystyle C_{1}=3,74\cdot 10^{-16}\;{\Biggl [}{\frac {\text{Вт}}{{\text{м}}^{2}}}{\Biggl ]}}$, ${\displaystyle C_{2}=1,44\cdot 10^{-2}\;{\Biggl [}{\text{м}}\cdot {\text{К}}{\Biggl ]}}$ — постоянные излучения.

Закон Вина:

${\displaystyle \lambda _{\text{макс}}={\frac {2,898\cdot 10^{3}}{T}}\;{\Biggl [}{\text{мкм}}{\Biggl ]}}$ (3)

закон Стефана — Больцмана:

${\displaystyle E_{0}=\sigma _{0}T^{4},}$ (4)

где ${\displaystyle \sigma _{0}=5,67\cdot 10^{-8}\;{\Biggl [}{\frac {\text{Вт}}{{\text{м}}^{2}\cdot {\text{K}}^{4}}}{\Biggl ]}}$ — постоянная Больцмана, ${\displaystyle T}$ — температура,

и закон Кирхгофа:

${\displaystyle {\frac {E_{1}}{A_{1}}}={\frac {E_{2}}{A_{2}}}=\,...\,={\frac {E_{n}}{A_{n}}}=E_{0}}$ (5)

Здесь ${\displaystyle E_{0}}$ — поверхностная плотность потока интегрального излучения абсолютно чёрного тела.