اعتماد درجة الانبعاثية على درجة الحرارة. دراسة الاشعاع الحراري

انتقال الحرارة المشعة بين الأجسام في وسط شفاف (انخفاض انبعاث النظام ، حساب انتقال الحرارة ، طرق تقليل أو زيادة شدة نقل الحرارة).

شاشات

في مختلف مجالات التكنولوجيا ، غالبًا ما تكون هناك حالات يلزم فيها تقليل انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع. على سبيل المثال ، من الضروري حماية العمال من تأثير الأشعة الحرارية في ورش العمل حيث توجد أسطح ذات درجات حرارة عالية. في حالات أخرى ، من الضروري حماية الأجزاء الخشبية للمباني من الطاقة المشعة من أجل منع الاشتعال ؛ يجب حماية موازين الحرارة من الطاقة المشعة ، وإلا فإنها تعطي قراءات غير صحيحة. لذلك ، عندما يكون من الضروري تقليل انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع ، يتم اللجوء إلى تركيب الشاشات. عادة ما تكون الشاشة عبارة عن صفيحة معدنية رفيعة ذات انعكاسية عالية. يمكن اعتبار درجات حرارة كلا السطحين للشاشة متماثلة.

دعونا نفكر في حركة الشاشة بين سطحين متوازيين مستويين لانهائيين ، وسوف نتجاهل نقل الحرارة بالحمل الحراري. يُفترض أن تكون أسطح الجدران والشاشة متطابقة. تظل درجات حرارة الجدار T 1 و T 2 ثابتة ، مع T 1> T 2. نفترض أن معاملات إشعاع الجدران والشاشة متساوية مع بعضها البعض. ثم الانبعاثية المنخفضة بين الأسطح بدون شاشة ، بين السطح الأول والشاشة ، والشاشة والسطح الثاني متساويان.

يتم تحديد تدفق الحرارة المنقول من السطح الأول إلى السطح الثاني (بدون شاشة) من المعادلة

تم العثور على تدفق الحرارة المنقول من السطح الأول إلى الشاشة بواسطة الصيغة

ومن الشاشة إلى السطح الثاني حسب المعادلة

في حالة حرارية ثابتة q 1 = q 2 ، لذلك

أين

استبدال درجة حرارة الشاشة الناتجة في أي من المعادلات التي نحصل عليها

بمقارنة المعادلتين الأولى والأخيرة ، نجد أن تركيب شاشة واحدة في ظل الظروف المقبولة يقلل من انتقال الحرارة بالإشعاع بمقدار النصف:

(29-19)

يمكن إثبات أن تركيب شاشتين يقلل من انتقال الحرارة بمعامل ثلاثة ، وتركيب ثلاث شاشات يقلل من انتقال الحرارة بمعامل أربعة ، إلخ. يتم الحصول على تأثير كبير لتقليل انتقال الحرارة عن طريق الإشعاع عند استخدام شاشة مصنوعة من المعدن المصقول ، ثم

(29-20)

حيث C "pr - تقليل الانبعاثية بين السطح والشاشة ؛

مع pr - معامل الإشعاع المخفض بين الأسطح.

انبعاثات غازات

يختلف إشعاع الأجسام الغازية بشكل حاد عن إشعاع الأجسام الصلبة. الغازات أحادية الذرة وثنائية الذرة لها انبعاثية وامتصاصية ضئيلة. تعتبر هذه الغازات شفافة للأشعة الحرارية. الغازات الثلاثية الذرات (CO 2 و H 2 O ، إلخ.) والغازات المتعددة الذرات لها بالفعل قدرة انبعاث كبيرة ، وبالتالي ، قدرة امتصاص. في درجات الحرارة المرتفعة ، يكون لإشعاع الغازات الثلاثية المتكونة أثناء احتراق الوقود أهمية كبيرة لتشغيل أجهزة التبادل الحراري. أطياف انبعاث الغازات الثلاثية ، على عكس انبعاث الأجسام الرمادية ، لها طابع انتقائي (انتقائي) واضح. تمتص هذه الغازات وتصدر طاقة مشعة فقط في فترات أطوال موجية معينة تقع في أجزاء مختلفة من الطيف (الشكل 29-6). بالنسبة للأشعة ذات الأطوال الموجية الأخرى ، تكون هذه الغازات شفافة. عندما يلتقي الشعاع

في طريقها طبقة من الغاز قادرة على امتصاص شعاع بطول موجة معين ، ثم يتم امتصاص هذه الحزمة جزئيًا ، وتمر جزئيًا عبر سماكة الغاز وتخرج من الجانب الآخر من الطبقة بكثافة أقل من المدخل. يمكن لطبقة سميكة جدًا أن تمتص الحزمة بأكملها تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد قدرة امتصاص الغاز على ضغطه الجزئي أو عدد الجزيئات ودرجة الحرارة. يحدث انبعاث وامتصاص الطاقة المشعة في الغازات في جميع أنحاء الحجم.

يمكن تحديد معامل امتصاص الغاز بالعلاقة التالية:

أو المعادلة العامة

يعتمد سمك الطبقة الغازية على شكل الجسم ويتم تعريفه على أنه متوسط طول الحزمة وفقًا للجدول التجريبي.

عادة ما يتم أخذ ضغط منتجات الاحتراق يساوي 1 بار ، لذلك يتم تحديد الضغوط الجزئية للغازات الثلاثية الذرات في الخليط بواسطة المعادلات p co2 ، \ u003d r co2 ، و P H 2 O \ u003d r H 2 O ، حيث r هو جزء حجم الغاز.

متوسط درجة حرارة الجدار - محسوبة بالمعادلة

(29-21).

حيث T "st هي درجة حرارة جدار القناة عند مدخل الغاز ؛ T" c t هي درجة حرارة جدار القناة عند مخرج الغاز.

يتم تحديد متوسط درجة حرارة الغاز بواسطة الصيغة

(29-22)

حيث T "g - درجة حرارة الغاز عند مدخل القناة ؛

T "" p - درجة حرارة الغاز عند مخرج القناة ؛

تؤخذ علامة الجمع في حالة التبريد ، وتؤخذ علامة الطرح في حالة تسخين الغاز في القناة.

إن حساب انتقال الحرارة المشعة بين الغاز وجدران القناة معقد للغاية ويتم إجراؤه باستخدام عدد من الرسوم البيانية والجداول. طور شاك طريقة حساب أبسط وموثوق بها تمامًا ، حيث اقترح المعادلات التالية التي تحدد إشعاع الغازات في وسط بدرجة حرارة 0 درجة كلفن:

(29-23)

(29-24) حيث p هو الضغط الجزئي للغاز ، بار ؛ s هو متوسط سمك طبقة الغاز ، م ؛ T هو متوسط درجة حرارة الغازات والجدار ، ° ك. يوضح تحليل المعادلات أعلاه أن انبعاث الغازات لا يخضع لقانون ستيفان بولتزمان. يتناسب إشعاع بخار الماء مع T 3 ، ويتناسب إشعاع ثاني أكسيد الكربون مع G 3 "5.

قانون بلانك. كثافة الإشعاع لجسم أسود بالكامل وأي جسم حقيقي أعتمد عليه وطوله الموجي.

الجسم الأسود تمامًا عند معين يصدر أشعة من جميع الأطوال الموجية من l \ u003d 0 إلى l \ u003d ¥. إذا قمنا بطريقة ما بفصل الحزم ذات الأطوال الموجية المختلفة عن بعضها البعض وقياس طاقة كل حزمة ، فقد تبين أن توزيع الطاقة على طول الطيف مختلف.

مع زيادة الطول الموجي ، تزداد طاقة الأشعة ، وعند طول موجي معين تصل إلى الحد الأقصى ، ثم تتناقص. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة لشعاع من نفس الطول الموجي ، تزداد طاقته مع زيادة الأشعة المنبعثة من الجسم (الشكل 11.1).

وضع بلانك القانون التالي لتغيير شدة الإشعاع لجسم أسود تمامًا اعتمادًا على الطول الموجي:

أنا sl \ u003d s 1 l -5 / (e s / (l T) - 1) ، (11.5)

استبدال قانون بلانك بالمعادلة (11.7) والدمج من l \ u003d 0 إلى l \ u003d ¥ ، نجد أن الإشعاع المتكامل (التدفق الحراري) لجسم أسود تمامًا يتناسب طرديًا مع القوة الرابعة لمطلقه (Stefan-Boltzmann قانون).

E s \ u003d C · s (T / 100) 4 ، (11.8)

حيث С s \ u003d 5.67 W / (m 2 * K 4) - انبعاثية جسم أسود تمامًا

مع ملاحظة في الشكل 11.1 كمية الطاقة المقابلة لجزء الضوء من الطيف (0.4-0.8 ميكرون) ، من السهل ملاحظة أنها صغيرة جدًا بالنسبة للجزء المنخفض منها مقارنةً بطاقة الإشعاع المتكامل. فقط عندما تكون الشمس حوالي 6000 كلفن ، تكون طاقة أشعة الضوء حوالي 50٪ من إجمالي طاقة الإشعاع الأسود.

جميع الأجسام الحقيقية المستخدمة في التكنولوجيا ليست سوداء تمامًا ، وبنفس الطاقة تنبعث منها طاقة أقل من الجسم الأسود تمامًا. يعتمد إشعاع الأجسام الحقيقية أيضًا على الطول الموجي. حتى يمكن تطبيق قوانين إشعاع الجسم الأسود على الأجسام الحقيقية ، يتم تقديم مفهوم الجسد والإشعاع. يُفهم أن الإشعاع ، على غرار إشعاع الجسم الأسود ، له طيف مستمر ، لكن شدة الأشعة لكل طول موجي I l لأي شيء هو جزء ثابت من كثافة إشعاع الجسم الأسود I sl ، أي. هناك علاقة:

أنا l / I sl \ u003d e \ u003d const. (11.9)

تسمى قيمة e درجة السواد. ذلك يعتمد على الخصائص الفيزيائية للجسم. درجة سواد الأجساد دائمًا أقل من الوحدة.

قانون كيرشوف.بالنسبة لأي جسم ، تعتمد القدرات الإشعاعية والامتصاصية على طول الموجة. الهيئات المختلفة لها قيم مختلفة لـ E و A. العلاقة بينهما يحددها قانون كيرشوف:

E \ u003d E s * A أو E / A \ u003d E s \ u003d E s / A s \ u003d C s * (T / 100) 4. (11.11)

نسبة انبعاثية الجسم (E) إلى قدرته على الامتصاص (A) هي نفسها لجميع الأجسام المتساوية وتساوي انبعاثية جسم أسود تمامًا في نفس الوقت.

ويترتب على قانون كيرشوف أنه إذا كان لدى الجسم قدرة امتصاص منخفضة ، فإن له أيضًا انبعاثية منخفضة (مصقول). الجسم الأسود المطلق ، الذي يتمتع بأقصى قوة امتصاص ، لديه أيضًا أعلى نسبة انبعاثية.

يظل قانون كيرشوف ساريًا للإشعاع أحادي اللون أيضًا. تكون نسبة شدة إشعاع جسم عند طول موجي معين إلى سعة امتصاصه عند نفس الطول الموجي لجميع الأجسام هي نفسها إذا كانت متماثلة ، وتساوي عدديًا شدة الإشعاع لجسم أسود تمامًا في نفس الوقت الطول الموجي و أي هي وظيفة الطول الموجي فقط و:

E l / A l \ u003d I l / A l \ u003d E sl \ u003d I sl \ u003d f (l ، T). (11.12)

لذلك ، فإن الجسم الذي يشع الطاقة بأي طول موجي قادر على امتصاصها بنفس الطول الموجي. إذا كان الجسم لا يمتص الطاقة في جزء ما من الطيف ، فإنه لا يشع في هذا الجزء من الطيف.

ويترتب على قانون كيرشوف أيضًا أن درجة سواد الجسم e في نفس الوقت تساوي عدديًا معامل الامتصاص A:

e \ u003d I l / I sl \ u003d E / E sl \ u003d C / C sl \ u003d A. (11.13)

قانون لامبرت.تنتشر الطاقة المشعة المنبعثة من الجسم في الفضاء باتجاهات مختلفة وبكثافة مختلفة. القانون الذي يحدد اعتماد شدة الإشعاع على الاتجاه يسمى قانون لامبرت.

ينص قانون لامبرت على أن كمية الطاقة المشعة المنبعثة من عنصر السطح dF 1 في اتجاه العنصر dF 2 تتناسب طرديًا مع ناتج كمية الطاقة المنبعثة على طول dQ n الطبيعي مضروبة في الزاوية المكانية dsh و cosц ، والتي تتكون من اتجاه الاشعاع الطبيعي (الشكل 11.2):

د 2 Qn = dQ n * dw * cosj. (11.14)

وبالتالي ، تنبعث أكبر كمية من الطاقة المشعة في الاتجاه العمودي على سطح الإشعاع ، أي عند (j = 0). مع زيادة j ، تقل كمية الطاقة المشعة وعند j = 90 درجة تساوي صفرًا. قانون لامبرت صالح تمامًا لجسم أسود تمامًا وللأجسام ذات الإشعاع المنتشر عند j = 0 - 60 °.

بالنسبة للأسطح المصقولة ، لا ينطبق قانون لامبرت. بالنسبة لهم ، سيكون الإشعاع عند j أكبر من الاتجاه الطبيعي للسطح.

هدف

التعرف على منهجية إجراء التجارب لتحديد درجة سواد سطح الجسم.

تنمية مهارات إجراء التجارب.

ممارسه الرياضه

تحديد الابتعاثية ε والانبعاثية من أسطح مادتين مختلفتين (نحاس مطلي وفولاذ مصقول).

تحديد اعتماد التغير في درجة الانبعاثية على درجة حرارة السطح.

قارن قيمة الابتعاثية للنحاس المطلي والفولاذ المصقول مع بعضهما البعض.

مقدمة نظرية

الإشعاع الحراري هو عملية نقل الطاقة الحرارية من خلال الموجات الكهرومغناطيسية. تعتمد كمية الحرارة المنقولة بالإشعاع على خصائص الجسم المشع ودرجة حرارته ولا تعتمد على درجة حرارة الأجسام المحيطة.

في الحالة العامة ، يتم امتصاص تدفق الحرارة الذي يدخل الجسم جزئيًا ، وينعكس جزئيًا ، ويمر جزئيًا عبر الجسم (الشكل 1.1).

أرز. 1.1 مخطط توزيع الطاقة المشعة

(2)

أين - حادث تدفق الحرارة على الجسم ،

- كمية الحرارة التي يمتصها الجسم ،

- كمية الحرارة التي ينعكسها الجسم ،

- كمية الحرارة التي تمر عبر الجسم.

نقسم الأجزاء اليمنى واليسرى بواسطة تدفق الحرارة:

كميات
تسمى على التوالي: ماصة ، عاكسة ونفاذية للجسم.

اذا كان
، ومن بعد
، بمعنى آخر. يمتص كل تدفق الحرارة المتساقط على الجسم. مثل هذا الجسم يسمى أسود تمامًا .

الهيئات التي لديها
,
أولئك. يسمى كل تدفق الحرارة الحادث على الجسم ينعكس منه أبيض . في هذه الحالة ، إذا كان الانعكاس من السطح يطيع قوانين بصريات الجسم ، فإنه يسمى معكوسة - إذا كان الانعكاس منتشرًا – أبيض تمامًا .

الهيئات التي لديها
,
أولئك. يتم استدعاء كل حادث تدفق الحرارة على الجسم يمر من خلاله حراري أو شفاف تمامًا .

لا توجد أجسام مطلقة في الطبيعة ، لكن مفهوم مثل هذه الأجسام مفيد جدًا ، خاصة فيما يتعلق بجسم أسود تمامًا ، لأن القوانين التي تحكم إشعاعاته بسيطة بشكل خاص ، لأنه لا ينعكس أي إشعاع من سطحه.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن مفهوم الجسم الأسود تمامًا يجعل من الممكن إثبات أنه في الطبيعة لا توجد أجسام تشع حرارة أكثر من تلك السوداء.

على سبيل المثال ، وفقًا لقانون كيرشوف ، نسبة انبعاث الجسم وامتصاصه الشيء نفسه بالنسبة لجميع الأجسام ويعتمد فقط على درجة الحرارة ، لجميع الأجسام ، بما في ذلك الأسود تمامًا ، عند درجة حرارة معينة:

(3)

منذ القوة الامتصاصية لجسم أسود مثالي
أ و إلخ. دائمًا أقل من 1 ، ثم يتبع قانون كيرشوف أن الحد من الابتعاثية له جسم أسود بالكامل. نظرًا لعدم وجود أجسام سوداء تمامًا في الطبيعة ، تم تقديم مفهوم الجسم الرمادي ، ودرجة السواد ε ، وهي نسبة انبعاث الجسم الرمادي والأسود تمامًا:

اتباع قانون كيرشوف ومراعاة ذلك
يمكن أن تكون مكتوبة
أين
أولئك . درجة السواد تميز كلا من الابتعاثية النسبية والامتصاصية للجسم . القانون الأساسي للإشعاع ، الذي يعكس اعتماد كثافة الإشعاع
يشار إلى نطاق الطول الموجي هذا (الإشعاع أحادي اللون) هو قانون بلانك.

(4)

أين - الطول الموجي ، [م] ؛

;

و هي ثوابت بلانك الأولى والثانية.

على التين. 1.2 يتم تقديم هذه المعادلة بيانيا.

أرز. 1.2 تمثيل رسومي لقانون بلانك

كما يتضح من الرسم البياني ، يشع الجسم الأسود عند أي درجة حرارة في نطاق واسع من الأطوال الموجية. مع زيادة درجة الحرارة ، تتحول شدة الإشعاع القصوى نحو أطوال موجية أقصر. هذه الظاهرة موصوفة في قانون فيينا:

أين
هو الطول الموجي المقابل لشدة الإشعاع القصوى.

للقيم
بدلاً من قانون بلانك ، يمكنك تطبيق قانون Rayleigh-Jeans ، والذي يُسمى أيضًا "قانون إشعاع الموجة الطويلة":

(6)

شدة الإشعاع ، المشار إليها في نطاق الطول الموجي بأكمله من
قبل
(إشعاع متكامل) ، يمكن تحديده من قانون بلانك من خلال دمج:

أين انبعاث الجسم الأسود. يسمى التعبير قانون ستيفان بولتزمان ، الذي وضعه بولتزمان. بالنسبة للأجسام الرمادية ، تمت كتابة قانون ستيفان بولتزمان على النحو التالي:

(8)

هي انبعاثية الجسم الرمادي. يتم تحديد التبادل الحراري عن طريق الإشعاع بين سطحين على أساس قانون Stefan-Boltzmann وله الشكل:

(9)

اذا كان
، ثم تصبح الابتعاثية المخفضة مساوية لانبعاثية السطح ، بمعنى آخر.
. هذا الظرف هو أساس طريقة تحديد الانبعاثية والانبعاثية للأجسام الرمادية الصغيرة الحجم مقارنة بالأجسام التي تتبادل الطاقة المشعة مع بعضها البعض.

(10)

(11)

كما يتضح من الصيغة ، تعريف الابتعاثية والانبعاثية منيحتاج الجسم الرمادي إلى معرفة درجة حرارة السطح اختبار الجسم ودرجة الحرارة البيئة وتدفق الحرارة المشعة من سطح الجسم
. درجات الحرارة و يمكن قياسها بالطرق المعروفة. ويتم تحديد التدفق الحراري المشع من الاعتبارات التالية.