Излучательную способность

Между способностями тела к излучению и поглощению существует зависимость, известная под названием закона Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности есть величина постоянная для всех твердых тел. Для излучения серых тел закон Кирхгофа запишется так:

Большинство твердых и жидких тел, как и абсолютно черные тела, излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до с/), т. е. имеют сплошной спектр излучения. К числу твердых тел, имеющих сплошной спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, а также окислы различных металлов. Чистые металлы и газы характеризуются выборочным или селективным излучением. Встречающиеся в природе и технике твердые тела имеют значительную поглощательную и излучательную способность, близкую к излучательной способности абсолютно черного тела. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для проводников тепла толщина этих слоев приблизительно 1 мк, а для непроводников тепла 1,3 мм, Тела, имеющие шероховатые поверхности, покрытые окисью, излучают лучше, чем гладкие или полированные.

Если газы поглощают энергию, то, согласно закону Кирхгофа, они и излучают ее. Для определения относительной излучательной способности, представляющей лучеиспускательную способность газов в долях от излучения абсолютно черного тела, или степени черноты газов, служит формула

Некоторые устройства, которые предназначены для исследования объектов с целью обнаружения возможных дефектов при помощи сканирующего пучка излучения оптического диапазона, основаны на поглощении материалами объекта излучения ИК-диапазона оптического спектра. Лучистый поток от источника ИК-излуче-ний, например СО2-лазера, зеркальной сканирующей системой направляется на исследуемый объект. Зеркальная система содержит два зеркала, сканирующих в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Часть излучения, падающего на объект, поглощается и соответствующим образом увеличивает его температуру. При увеличении температуры объект излучает энергию в соответствии с законом Стефана— Больцмана. Если поверхность образца .не имеет дефектов, то все его участки за один промежуток времени излучают одинаковое количество энергии. При наличии дефекта различные уча- ; стки объекта излучают различное количество энергии. Для контроля и измерения излучательной способности

Для оценки излучательной способности реальных (серых) тел вводят понятие коэффициента излучения е (XjT) < 1,0. Очевидно, что для АЧТ и серых тел Е (J^T) = ex (AjT). Это выражение может быть получено из закона Кирхгофа и означает, что коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения реального тела.

В табл. 8 приведены данные о величине поправок к показаниям радиационного пирометра в зависимости от излучательной способности объекта.

Современные модели пирометров, в том числе портативных автономных, снабжаются встроенным микропроцессором, реализующим запоминание максимальной, средней и минимальной температуры за время измерения, коррекцию излучательной способности, автокалибровку прибора и другие функции. Данные некоторых радиационных пирометров приведены в табл. 9.

Степень черноты е характеризует полное или интегральное излучение тела, охватывающее все длины волн. Более детальной характеристикой излучательной способности тела является спектральная степень черноты

В такой форме закон Кирхгофа формулируется так: при термодинамическом равновесии отношение излучательной способности к поглощательной для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

В уравнении (5-5) закон Кирхгофа приведен для интегрального излучения. Но он может быть применен и для монохроматического излучения. В этом случае он формулируется так: отношение излучательной способности определенной длины волны к погло-щательной способности при той же длине волны для всех тел одно и то же и является функцией только длины волны и температуры, т. е.

стремится к нулю; в этом случае среднее значение ?<р = 1,20 еф=о. Количество излучаемой энергии до сих пор мы определяли, исходя из излучательной способности тела Е. Но наряду с этим об интенсивности лучеиспускания какого-либо источника можно су-

10-1. Определить излучательную способность поверхности Солнца, если известно, что ее температура равна 5700° С и условия излучения близки к излучению абсолютно черного тела. Вычислить также длину волны, при которой будет наблюдаться максимум спектральной интенсивности излучения и общее количество лучистой энергии, испускаемой Солнцем в единицу времени, если диаметр Солнца можно принять равным 1,391 -109 м.

Излучательную способность в полусферу для окисленной меди можно выразить через интенсивность излучения:

излучательную способность тела характеризует коэффициент излучения С.

Большинство твердых и жидких тел, как и абсолютно черные тела, излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до с/), т. е. имеют сплошной спектр излучения. К числу твердых тел, имеющих сплошной спектр излучения, относятся непроводники и полупроводники электричества, а также окислы различных металлов. Чистые металлы и газы характеризуются выборочным или селективным излучением. Встречающиеся в природе и технике твердые тела имеют значительную поглощательную и излучательную способность, близкую к излучательной способности абсолютно черного тела. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Для проводников тепла толщина этих слоев приблизительно 1 мк, а для непроводников тепла 1,3 мм, Тела, имеющие шероховатые поверхности, покрытые окисью, излучают лучше, чем гладкие или полированные.

Для чистых металлов излучательная способность зависит главным образом от состояния поверхности. Если металлы имеют чистую поверхность, они имеют малую излучательную способность и значительную селективность излучения. Селективность излучения их уменьшается с увеличением шероховатости и степени окисления поверхности. Если поверхность тела покрывается слоем вещества, сильно поглощающего лучистую энергию, то излучательная способность такого тела увеличивается. Можно, наоборот, уменьшить излучатель-nvio способность тела, если его поверхность покрыть пленкой вещества, обладающего большой отражательной способностью. При этом необходимо иметь в виду, что при малой толщине пленки излучающие свойства тела зав.исят не только от свойств пленки, по также и от свойств вещества, на которое эта пленка наносится. Толщина оксидных пленок на металлах зависит от температуры и увеличивается со временем. Следовательно, в зависимости от этих факторов изменяется и излучательная способность металлов. Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела, Изменение температуры тела не только вызывает изменение абсолютной величины интенсивности излучения, но и сопровождается изменением спектрального состава, лли «цвета» излучения. С повышением температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволновой части спектра. Одной из важных характеристик лучистого теплообмена является к о э ф-

Сопоставляя уравнения (14-15) и (14-16), находим относительную излучательную способность или степень черноты:

Взвешенные в потоке газов частицы сажистого углерода увеличивают степень черноты факела и его излучательную способность. Поэтому при отоплении высокотемпературных печей газами, содержащими мало углеврдородов, иногда прибегают к искусственному повышению степени черноты факела посредством его карбюрации. Это достигается добавлением к газообразному топливу тонкораспыленной смолы или мазута. Так, при отоплении мартеновских печей генераторным газом карбюрация осуществляется добавкой 10—30 г смолы или мазута на 1 м3 газа.

Закон Планка. Собственное излучение Е\ — это количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени для всех длин волн от А,=0 до Я=оо. Однако для детального изучения явления важно также знать закон распределения энергии излучения по длинам волн при различных температурах Ek=f(K, Т). Величина ?*, представляет собой излучательную способность тела для длин волн от К до X+dX, отнесенную к рассматриваемому интервалу длин волн

где е(Т)—излучательная (или поглощатель-ная) способность материала как функции температуры тела и длины волны. В табл. 6.10 приводятся значения поглощательной способности некоторых веществ для различных диапазонов температур. Зная площадь поверхности, излучательную способность и температуру тела, можно по (6.19) определить интенсивность излучения энергии, но это не дает никаких сведений о спектре излучения.

Фирма «Норз Америкэн Рокуэлл» оценивала возможность применения боралюминия в кабинах пилотируемых аппаратов для элементов жесткости панелей с солнечными генераторами энергий, кожухов, юбок ракетного двигателя, удлинителей, промежуточных конструкций между ступенями баллистических ракет. Эта фирма исследовала возможность применения бор-алюминия для панелей, расположенных вблизи отсека технического обслуживания системы управления двигателями космического корабля «Аполлон». Была показана перспектива использования этого материала с предварительно нанесенным на него покрытием, имеющим низкую излучательную способность, или с полированной поверхностью. Расчеты показывают, что применение боралюминиевого композиционного материала в виде панелей фюзеляжа размером 1200X1500 мм, состоящих из одиннадцати стрингеров и обшивки, в орбитальной ступени космического летательного аппарата (КЛА) позволило бы уменьшить ее массу на ~1200 кг [147]. Перспективным является применение боралюминия в силовом наборе крыла и топливного бака орбитальной ступени КЛА, в малогабаритных сосудах для газа высокого давления (более 200 кгс/см2), предназначенных для контроля положения космического летательного аппарата «Шаттл» в пространстве и обеспечения дополнительной тяги, что позволяет снизить массу конструкции на 25—35%. По данным Фореста и Кристиана перспективно также применение боралюминия в трубчатой конструкции антенны диаметром 30 м, предназначенной для исследования космического пространства, обеспечивающее снижение массы на 50%.

Образование изъязвлений и мелких кратеров на поверхности космич. корабля безусловно меняет ее излучательную способность. Известно, что шероховатая поверхность металла примерно в два раза сильнее излучает тепло, чем полиров, поверхность. Спец. покрытия, обладающие высокой степенью черноты, практически не реагируют на мелкие изъязвления, если при этом не обнажается осн. поверхность материала с иной излучат, способностью. «Обстрел» космич. пылью стекол, конечно, меняет их оптич. св-ва в местах поражения. Метеорная опасность особенно велика для энергетич. установок, имеющих большую площадь холодильников-излучателей.