Лучеиспускание. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа. Совместная теплоотдача излучением и конвекцией

Министерство  образования и науки Российской Федерации ГОУ СПО «Поволжский  колледж технологии и менеджмента» 
 

Рабочая программа учебной дисциплины ОП.09

«Процессы и аппараты» 
 

Реферат на тему:

«Лучеиспускание. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа. Совместная теплоотдача излучением и конвекцией» 
 
 
 
 

                                                                           Выполнила:

 студентка  группы № 911

Сучкова Д.П.

Проверил:

 преподаватель  спец.дисциплин

Жевелюк А.С 

Балаково 2011-2012 год.

Содержание.

Введение……………………………………………………………………………….....3

Закон Стефана-Больцмана…………………………………………………………..…..6

Закон Кирхгофа………………………………………………………………………..…6

Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием……………………...…7

Используемый  список литературы……………………………………………………..8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

Лучеиспускание  свойственно всем телам, при этом излучение энергии происходит непрерывно в результате сложных внутриатомных  возмущений, интенсивность которых  определяется температурой тела. Лучистая энергия представляет собой энергию  электромагнитных колебаний с различными длинами волн, которые исходят  от тела и распространяются в вакууме  со скоростью света с=3∙108. Обычно рассматривается так называемое тепловое излучение, которому соответствуют  длины волн от 0,4 до 40 мк. Такие лучи могут поглощаться другими телами, причем при поглощении их лучистая энергия снова переходит в  тепловую. Возбудителями электромагнитных волн являются заряженные материальные частицы, т. е. электроны и ионы, входящие в состав вещества. При этом колебания ионов соответствуют излучению низкой частоты; излучение, обусловленное движением электронов, может иметь высокую частоту, если они входят в состав атомов и молекул и удерживаются около своего равновесия значительными силами.

При попадании  лучистой энергии на какое-либо тело поглощается лишь часть этой энергии; другая ее часть отражается, а некоторая  часть проходит сквозь тело. Тела, поглощающие  всю падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно черными. Тела, полностью отражающие падающую на них  лучистую энергию, называются абсолютно  белыми, а тела, пропускающие всю  падающую на них энергию, – абсолютно  прозрачными.

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел  в природе не существует. Практически  прозрачными телами являются одно- и двухатомные газы – воздух, азот, кислород, водород и др. Твердые  тела и жидкости для тепловых лучей  непрозрачны.

Поглощение  и отражение лучистой энергии  твердыми телами в значительной степени  зависит от состояния их поверхности: гладкие и полированные поверхности  обладают высокой отражательной  способностью; шероховатые поверхности, наоборот, обладают высокой поглощательной способностью. Наиболее высокой поглощательной способностью, близкой к абсолютно черному телу, обладает сажа, которая поглощает 90 – 96% падающей на нее лучистой энергии.

В металлах многие электроны являются свободными. Поэтому в этом случае нельзя говорить о колебаниях около центров равновесия. Электроны движутся и при этом испытывают нерегулярное торможение. Вследствие этого излучение металлов приобретает характер импульсов  и имеет волны различной частоты  и в том числе волны низкой частоты. Помимо волновых свойств, излучение  обладает также и корпускулярными  свойствами. Корпускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия  испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными дискретными  порциями – квантами света или  фотонами. Испускаемый фотон –  частица материи, обладающая энергией, количеством движения и электромагнитной массой. Прохождение фотонов через  вещество есть процесс поглощения и  последующего испускания энергии фотонов  атомами и молекулами этого вещества.

Таким образом, излучение имеет двойственный характер, поскольку оно обладает свойствами непрерывности поля электромагнитных волн и свойствами дискретности, типичными  для фотонов. Синтезом обоих свойств  является представление, согласно которому энергия и импульсы сосредоточиваются  в фотонах, а вероятность нахождения их в том или ином месте пространства – в волнах. Соответственно этому  излучение характеризуется длиной волны (λ) или частотой колебаний (υ=с/λ).

Все виды электромагнитного излучения имеют  одинаковую природу и различаются  лишь длиной волны. Большинство твердых  и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е. излучает энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞. К  числу твердых тел, имеющих сплошной спектр излучения относятся непроводники и проводники электричества, а также  различные металлы в окисленном состоянии. Некоторые тела излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, т. е. испускают энергию  с прерывистым спектром. К ним  относятся чистые металлы и газы. Излучение различных тел различно. Оно зависит от природы тела, температуры, состояния поверхности, а для газов – еще от толщины слоя и давления. Большинство встречающихся в природе и технике твердых и жидких тел имеет значительную поглощательную и излучательную способность. Вследствие этого в процессах лучистого теплообмена участвуют лишь тонкие поверхностные слои. Газообразные тела имеют значительно меньшее излучение, чем твердые и жидкие тела. Поэтому в излучении газов участвуют все его частицы, и процесс теплового излучения носит объемный характер.

Излучение всех тел зависит от температуры. С увеличением температуры излучение  увеличивается, так как увеличивается  внутренняя энергия тела. Изменение  температуры тела вызывает не только изменение абсолютной величины интенсивности  излучения, но сопровождается еще и  изменением спектрального состава  или «цвета» излучения. С повышением температуры повышается интенсивность  коротковолнового излучения и уменьшается  интенсивность длинноволновой части  спектра. Зависимость излучения  от температуры значительно большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Поэтому при низких температурах преобладающую роль может играть теплообмен за счет конвекции и теплопроводности, а при высоких – основным видом переноса тепла может быть тепловое излучение.  
 
 
 
 
 
 

Закон Стефана-Больцмана.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает  зависимость плотности интегрального  полусферического излучения от температуры. Согласно этому закону количество тепла Q, излучаемого в единицу времени, пропорционально поверхности излучающего  тела F и четвертой степени его  абсолютной температуры Т. Для технических  расчетов этот закон можно записать в следующем виде:  

Закон Кирхгофа.

Закон Кирхгофа устанавливает связь между  лучеиспускательной и поглощательной способностью тела. Согласно этому  закону, поглощательная способность  и степень черноты равны между собой:

ε = А,

где А – отношение поглощаемой телом лучистой энергии к общему ее количеству, падающему на тело.

Из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательная способность тела тем выше, чем  больше его поглощательная способность. Этим и объясняется наивысшая  лучеиспускательная способность абсолютно  черного тела, так как для него А = 1, а следовательно, и ε = 1.

Наоборот, тела, хорошо отражающие лучистую энергию, сами излучают мало, а для абсолютно  белого и абсолютно прозрачного  тел лучеиспускательная способность  равна нулю.  
 
 

Совместная  передача тепла конвекцией и лучеиспусканием.

Передача  тепла лучеиспусканием обычно сопровождается одновременной передачей тепла  конвекцией. Пусть от стенки с абсолютной температурой Тст тепло передается к среде с абсолютной температурой Т (соответствующие температуры в °С будут tст и t).

Тепло, передаваемое конвекцией, составит (αк – коэффициент теплоотдачи при конвекции):

Qк = αкF(tст – t)

а тепло, передаваемое лучеиспусканием  

.

Общее количество передаваемого тепла  равно:

.

Второй  член выражения, заключенный в квадратные скобки, называется коэффициентом теплоотдачи  при лучеиспускании. Таким образом

,

где общий  коэффициент теплоотдачи (при совместной передаче тепла конвекцией и лучеиспусканием)

α = αк + αл 

Используемый  список литературы.

1. Исаченко  В. П., Осипова В. А., Сукомел  А. С. Теплопередача. Москва. Энергия. 1969.

2. Плановский  А. Н., Рамм В. М., Каган С. З.  Процессы и аппараты химической  технологии. Москва. Химия. 1968.