О производстве литья

Тепловое излучение, понятие что это

В этой статье вы узнаете, что такое тепловое излучение.

Тепловое излучение — это электромагнитные волны, излучаемые различными телами  благодаря их внутренней энергии. Они испускаются всеми телами, имеющими температуру выше 0 К, то есть различными нагретыми телами, поэтому их называют тепловыми. Имеет непрерывный спектр, положение и интенсивность которого зависят от температуры тела. При охлаждении последний сдвигается в длинноволновую часть спектра..

Тепловое излучение излучается, например, нагретым металлом, атмосферой Земли, белым карликом, радиаторами в космических кораблях, анодами электронных ламп, масляными и инфракрасными обогревателями.

Причина, по которой вещество излучает электромагнитные волны, заключается в расположении атомов и молекул из заряженных частиц, в результате чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их шоковое возбуждение, за которым следует просветление. Отличительной особенностью является  то, что при усреднении коэффициента излучения по распределению Максвелла, начиная с энергий hv ∼ kT, в спектре начинается экспоненциальная блокада.

Когда излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, это излучение называется равновесным излучением. Спектр такого излучения соответствует спектру абсолютно черного тела и описывается законом Планка. Однако в целом тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, поэтому более теплое тело охлаждается, а более холодное, наоборот, нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.

Обнаружение теплового излучения

Открытие было сделано в 1800 году английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл  обнаружил, что когда тело нагревается, оно распрстраняет излучение в виде электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве. Это явление называется тепловым излучением или инфракрасным излучением.

Максвелл также разработал математическую модель, описывающую, как тепловое излучение распространяется в пространстве. Эта модель послужила основанием для разработки инфракрасных датчиков и систем контроля температуры.

Открытие теплового излучения стало важным шагом в развитии физики и техники, поскольку оно позволило ученым и инженерам лучше понять, как работают различные системы и устройства.

Типы теплового излучения

Тепловое излучение — это процесс передачи энергии от горячих тел к холодным. Существует несколько различных типов теплового излучения:

1. Инфракрасное излучение — это тип теплового излучения, которое находится в диапазоне длин волн от 0,74 до 1000 микрометров. Он невидим для человеческого глаза, но его можно обнаружить с помощью специальных инструментов.
2. Видимое излучение — которое мы воспринимаем как свет. Он находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.
3. Ультрафиолетовое излучение имеет длину волны менее 200 нанометров, что может быть опасно для здоровья человека и вызывать различные кожные заболевания.
4. Радиационное излучение — возникает в результате ядерных реакций и может использоваться в медицине для лечения различных заболеваний.
5. Лазерное излучение — это когерентное световое излучение высокой интенсивности и длины волны. Его можно использовать в различных областях, включая медицину, науку и промышленность.

Принцип работы теплового излучения

Это процесс передачи тепла от более горячих объектов к более холодным объектам. Принцип теплового излучения заключается в том, что энергия, поглощенная объектом, излучается им в виде электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне.

Когда объект нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и сталкиваются друг с другом, передавая энергию. Эта энергия может передаваться другим молекулам, которые затем также движутся быстрее и так далее. В результате объект начинает излучать тепло в виде инфракрасных волн.

Инфракрасные волны имеют длину волны в диапазоне от 0,74 мкм до 1000 мкм. Они имеют низкую энергию и не могут проникать сквозь твердые материалы, такие как стекло или металл. Однако они могут проходить через газы и жидкости, а также через определенные материалы, такие как пластик или дерево.

Энергетическая яркость тела

Энергетическая светимость тела — это физическая величина, которая является функцией температуры и численно равна энергии, излучаемой телом за единицу времени с единицы площади во всех направлениях и во всем частотном спектре.

; Дж / (с * м2) = Вт / м2.

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости — это функция частоты и температуры, которая характеризует распределение лучистой энергии по всему частотному спектру (или длинам волн:

Аналогичная функция также может быть записана для длины волны:

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная частотой и длиной волны, связана соотношением

Нагретое тело излучает тепловую энергию  передача тепловой энергии  происходит  с помощью  электромагнитных  волн длиной 0,4-400 мкм и частотой 7,5 (10¹¹ -10⁸) Гц. Указанный диапазон волн занимает сравнительно небольшой участок  на шкале  электромагнитных волн смотри рисунок.

   Длина волн светового излучения составляет 0,4-0,8 мкм. При температуре свыше 3500 ᴼС тепловая энергия передается и в диапазоне  ультрафиолетового излучения.

Передача  тепловой энергии  излучением  от источника нагрева к  нагреваемому материалу в пламенных и электрических  печах возможна при  температуре  источника нагрева( (пламя или электронагреватель),  превышающей температуру  нагреваемого материала.

   С помощью электромагнитных волн может  передаваться также  электрическая энергия, например, в индукционных печах. В этом случае электромагнитные волны частотой 50-2_ˑ 10⁴ Гц  излучает холодный индуктор, по которому течет  переменный  электрический ток. В его мощное магнитное поле помещают  нагреваемы материал.

В зависимости от агрегатного состояния нагретого  тела  в тепловом  излучении участвует или тонкий поверхностный слой,  если тело твердое (у металлов 0,0005 мм), или весь объем, если тело газообразное.  Встречая на своем пути  твердые, жидкие  или газообразные тела, электромагнитные волны частично  поглощаются, частично отражаются и в некоторых случаях   частично проходят сквозь эти тела. Энергия поглощенных  электромагнитных волн  снова превращаются в  тепловую энергию.

Такое превращение энергии происходит непрерывно в системе  с  различной  температурой тел. В последнем случае количество  излучаемой энергии равно поглощаемой, т.е.  система находится в тепловом равновесии.

Количество теплоты, излучаемое в единицу времени, называют  тепловым потоком излучения Q_и (Вт). Тепловой поток  излучением, отнесенный к единице поверхности, называют  поверхностной плотностью теплового потока излучением q_и ,Вт/м².

q_и = Q_и/F.

Допустим, что на тело  падает  тепловой  поток Q_и  излучением часть которого Q_А поглощается телом, часть Q_К отражается и часть Q_D пропускается смотрите рисунок,

 т.е.

Q_и = Q_А + Q_R + Q_А

Примем следующие обозначения:Q_F/Q_и =А – коэффициент поглощения, или поглощательная способность; Q_R/Q_и = R – коэффициент отражения, или отражательная способность; Q_D/Q_и = D –коэффициент пропускания, или пропускательная способность.

Тогда

А + R + D = 1.

Если A = 1, то R =В = 0 – это означает, что  вся энергия теплового излучения поглощается. Таким свойством обладает  так называемое абсолютно черное тело. Если R = 1, А=D=0, т.е.  энергия  теплового излучения отражается. Таким  свойством обладает  вертикальное тело,  если отражение происходит  согласно законам геометрической оптики, и так  называемое абсолютно белое тело, если отражение  диффузное. Если D=1, то А = D  =0. В этом случае  вся энергия теплового излучения полностью проходит сквозь тело.  Таким свойством обладает так называемое  абсолютно прозрачное тело.

Представление об абсолютно черном, зеркальном и  прозрачном телах условно. Реальные тела, встречающиеся в природе,  одновременно отражают, поглощают и пропускают энергию  теплового излучения. Твердые и жидкие тела энергию  теплового излучения практически не пропускают, т.е. D = 0; А + R = 1.

Газообразные тела, наоборот,  хорошо пропускают  энергию  теплового излучения и плохо  поглощают ее.

Соотношение между характеристиками  теплоотдачи  установлены законами теплового излучения.

Используемая литература:

«Печи и сушила Литейного производства», Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков.

Теперь вы знаете что такое тепловое излучение.