Излучение
В вакууме возможен только один вид теплопередачи — излучение. Теплопроводности и конвекции нужна среда, а электромагнитное излучение переносит энергию и через пустоту: так Солнце нагревает Землю. Мощность излучения растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры (закон Стефана–Больцмана).
Как передаётся тепло излучением
Теплопередача излучением происходит между материалами различной температуры, которые находятся в непосредственной видимости друг от друга. По своей природе излучение не требует физического контакта, движущейся жидкости или любой другой среды для передачи энергии. Следовательно, теплопередача в вакууме возможна только излучением. Невозможно передать теплоту в вакууме теплопроводностью или конвекцией, так как данные процессы требуют непосредственного контакта для передачи молекулярной кинетической энергии от источника высокой температуры. При теплопередаче через атмосферу излучение не очень сильно влияет на температуру среды, через которую проходит.
Термин «излучение» указывает на то, что энергия передается от тела к телу в виде электромагнитных волн. Электромагнитное излучение — это передача энергии в виде волн или квантов, у которых есть и электрический, и магнитный компонент. Электромагнитное излучение происходит всякий раз, когда заряженная частица, например свободный электрон, изменяет скорость или направление.
Следовательно, всякий раз, когда свободный электрон сталкивается с другой частицей, он производит излучение как побочный продукт и передает часть энергии телу, которое находится в пределах видимости более низкой температуры.
Поглощение и отражение излучения
Количество поглощенной, отраженной или переданной энергии излучения зависит от природы тела, его поверхности, структуры и цвета. Светлые материалы с полированной поверхностью лучше отражают излучение. Материалы с неровной темной поверхностью поглощают максимальное количество энергии излучения. Черная сфера используется для измерения уровня теплопередачи излучением. Сквозь непрозрачные материалы, такие как древесина, металл и пробка, излучение не проходит. Некоторые волны отражаются, а остальные поглощаются. Увеличение температуры тела производит электромагнитные волны инфракрасной части спектра, которые передаются более холодным телам.
Свет, радиоволны, теплота, рентгеновское излучение и другие электромагнитные волны передаются по прямой, если только они не отражаются или на них действует очень сильная гравитация. Следовательно, теплопередача излучением происходит между телами, которые находятся в пределах видимости друг от друга на одной линии. Непрозрачное тело, помещенное на этой линии между источником излучения и другим телом, блокирует передачу энергии. Внешнее тело в таком случае поглотит энергию источника, преобразует ее в теплоту и передаст излучением более холодному телу. Электромагнитные волны движутся со скоростью света, что неудивительно, так как свет, теплота, рентгеновское излучение, гамма-лучи и ультрафиолет — это часть спектра электромагнитного излучения.
Тепловое равновесие
Все тела поглощают и отдают теплоту электромагнитным излучением. В любое время, если температура тела больше, чем окружающей среды, оно отдаст больше теплоты, чем поглотит. Следовательно, оно теряет энергию, в результате чего понижается уровень внутренней кинетической энергии и температура. И наоборот, если температура тела ниже, чем окружающей среды, оно поглотит больше энергии, чем потеряет, что повысит его внутреннюю кинетическую энергию и температуру. Если не существует разницы температур тела и окружающей среды, оно ни получает, ни теряет энергию, а его температура постоянна.
Закон Стефана — Больцмана
Плотность потока излучения с поверхности пропорциональна четвёртой степени её абсолютной температуры:
q = ε · σ · (T14 − T24)
- q — тепловой поток, Вт/м²;
- ε — степень черноты поверхности (0…1);
- σ = 5,67·10−8 Вт/(м²·K⁴) — постоянная Стефана — Больцмана;
- T1, T2 — температуры излучающей и принимающей поверхностей, K.
Пример: стенка при 100 °C (373 K) напротив поверхности при 20 °C (293 K) при ε = 0,9 излучает около 610 Вт/м². При комнатных температурах излучение сопоставимо с конвекцией, при высоких — намного превосходит её.
Излучение в холодильной технике
- Солнце нагревает стены и крышу холодильной камеры — теплоприток через ограждения на солнечной стороне считают с надбавкой, а наружные поверхности делают светлыми.
- Продукты в камере отдают тепло холодным батареям излучением даже без движения воздуха — на этом основано батарейное охлаждение.
- Конденсатор, установленный на солнце или рядом с горячим оборудованием, получает дополнительное тепло, и давление конденсации растёт.
- Отражающая изоляция (фольга) снижает лучистый теплоприток через воздушные прослойки.
Чем конвекция отличается от излучения
Конвекция отличается от излучения тем, что переносит тепло движущимся веществом — потоками жидкости или газа, — а излучение переносит энергию электромагнитными волнами и не нуждается в среде. Поэтому через вакуум между стенками термоса тепло идёт только излучением, а батарея отопления греет комнату в основном конвекцией: тёплый воздух поднимается, холодный опускается.
| Вид | Как переносится тепло | Формула |
|---|---|---|
| Теплопроводность | Колебания частиц внутри неподвижного тела | Q = λ · S · Δt / δ |
| Конвекция | Перемещение жидкости или газа | Q = α · S · Δt |
| Излучение | Электромагнитные волны, в том числе в вакууме | Q = ε · σ · S · (T₁⁴ − T₂⁴) |
В реальных задачах излучение и конвекция работают вместе. От стены холодильной камеры с наружной температурой +25 °C тепло к ней приходит конвекцией от воздуха и излучением от окружающих поверхностей и солнца; у тёмной стены на солнце излучение даёт заметную добавку к теплопритоку. Подробнее о конвекции — в статье конвекция.
Теплообмен излучением между поверхностью и окружением
Q = ε · σ · S · (T₁⁴ − T₂⁴), σ = 5,67·10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴), T — в кельвинах. ε: окрашенные поверхности и кирпич 0,85–0,95, полированный алюминий 0,05, оцинковка 0,2–0,3.
Частые вопросы
Какой вид теплопередачи возможен в вакууме?
Только излучение. Для теплопроводности нужен контакт частиц, для конвекции — движущаяся жидкость или газ, а излучение распространяется и в пустоте.
От чего зависит теплопередача излучением?
От температуры поверхностей (пропорционально T⁴ в кельвинах), их площади и степени черноты: тёмные матовые поверхности излучают и поглощают сильнее блестящих.
Как уменьшить теплоприток излучением в холодильную камеру?
Окрасить наружные поверхности в светлый цвет, затенить камеру и конденсатор от солнца, использовать отражающие покрытия изоляции и не ставить камеру рядом с печами и другим горячим оборудованием.
Чем конвекция отличается от излучения?
Конвекция переносит тепло движением жидкости или газа и без среды невозможна, излучение переносит энергию электромагнитными волнами и работает даже в вакууме. Мощность излучения растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры.
Читайте также
мне очень помогла