ЛУЧИ́СТЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н

ЛУЧИ́СТЫЙ ТЕПЛООБМЕ́Н (ра­диа­ци­он­ный те­п­ло­об­мен), про­цесс пе­ре­но­са энер­гии (те­п­ло­ты) по­сред­ст­вом элек­тро­маг­нит­ных волн; обу­слов­лен тем, что ка­ж­дое те­ло из­лу­ча­ет энер­гию (в ви­де фо­то­нов) и од­но­вре­мен­но по­гло­ща­ет из­лу­че­ние, ис­пус­кае­мое др. те­ла­ми. При Л. т. про­ис­хо­дит двой­ное пре­об­ра­зо­ва­ние энер­гии: часть внутр. энер­гии ве­ще­ст­ва пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию из­лу­че­ния (см. Те­п­ло­вое из­лу­че­ние), пе­ре­но­сит­ся в про­стран­ст­ве и за­тем по­гло­ща­ет­ся др. те­ла­ми (об­рат­ным пре­вра­ще­ни­ем энер­гии элек­тро­маг­нит­ных волн во внутр. энер­гию). При этом пе­ре­нос из­лу­че­ния в ма­те­ри­аль­ной сре­де мо­жет со­про­во­ж­дать­ся по­гло­ще­ни­ем и рас­сея­ни­ем, а так­же собств. из­лу­че­ни­ем сре­ды. Су­ще­ст­вен­ное от­ли­чие Л. т. от др. ви­дов те­п­ло­об­ме­на (те­п­ло­про­вод­но­сти, кон­век­тив­но­го те­п­ло­об­ме­на) со­сто­ит в том, что про­цес­сы Л. т. мо­гут про­ис­хо­дить при от­сут­ст­вии про­ме­жу­точ­ной сре­ды (в ва­куу­ме).

Це­лью тео­ре­тич. ана­ли­за Л. т. яв­ля­ет­ся оп­ре­де­ле­ние ре­зуль­ти­рую­щих по­то­ков из­лу­че­ния, вос­при­ня­тых или от­дан­ных все­ми по­верх­но­стя­ми тел, вхо­дя­щих в рас­чёт­ную сис­те­му. Твёр­дые те­ла (в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев) и не­ко­то­рые жид­ко­сти (напр., во­да, спир­ты) от­но­сят­ся к не­про­зрач­ным для те­п­ло­во­го из­лу­че­ния, по­это­му по­ток па­даю­ще­го из­лу­че­ния Q_пад час­тич­но по­гло­ща­ет­ся те­лом Q_погл, а час­тич­но от­ра­жа­ет­ся от его по­верх­но­сти Q_отр. Связь ме­ж­ду эти­ми по­то­ка­ми вы­ра­жа­ет­ся сле­дую­щи­ми со­от­но­ше­ния­ми:

Q_пад=Q_погл+Q_отр; Q_погл=AQ_пад;

Q_отр=RQ_пад; A= 1-Q_отр/Q_пад; R= 1-A,

где A – по­гло­ща­тель­ная спо­соб­ность те­ла; R – от­ра­жа­тель­ная спо­соб­ность те­ла.

Ес­ли R= 1 (т. е. те­ло от­ра­жа­ет всю па­даю­щую на не­го лу­чи­стую энер­гию), то по­верх­ность те­ла на­зы­ва­ют аб­со­лют­но бе­лой, или зер­каль­ной (хо­ро­шо по­ли­ро­ван­ный алю­ми­ний по от­ра­жат. спо­соб­но­сти бли­зок к аб­со­лют­но бе­ло­му те­лу). При R=0, A=1 (т. е. те­ло по­гло­ща­ет всю па­даю­щую на не­го лу­чи­стую энер­гию) те­ло на­зы­ва­ют аб­со­лют­но чёр­ным те­лом (са­жа, бар­хат по по­гло­щаю­щей спо­соб­но­сти близ­ки к аб­со­лют­но чёр­но­му те­лу). Лю­бое те­ло, темп-ра ко­то­ро­го от­лич­на от аб­со­лют­но­го ну­ля, ис­пус­ка­ет те­п­ло­вое из­лу­че­ние, на­зы­вае­мое собств. из­лу­че­ни­ем те­ла и ха­рак­те­ри­зуе­мое по­то­ком собств. из­лу­че­ния Q_соб. Собств. из­лу­че­ние, от­не­сён­ное к еди­ни­це по­верх­но­сти те­ла, на­зы­ва­ет­ся плот­но­стью по­то­ка собств. из­лу­че­ния, или лу­че­ис­пус­ка­тель­ной спо­соб­но­стью те­ла, ко­то­рая про­пор­цио­наль­на темп-ре те­ла в чет­вёр­той сте­пе­ни (Q=σT⁴). Не­ко­то­рые те­ла (плён­ки, стёк­ла и др.) про­пус­ка­ют часть лу­чи­стой энер­гии Q_проп=DQ_пад, где D – про­пус­ка­тель­ная спо­соб­ность те­ла. При зна­че­нии D=1 те­ла на­зы­ва­ют­ся про­зрач­ны­ми или диа­тер­мич­ны­ми (напр., тон­кий слой воз­ду­ха или од­но-двух­атом­ных га­зов). При 0<D< 1 те­ла яв­ля­ют­ся по­лу­про­зрач­ны­ми (стек­ло, квар­це­вая пла­сти­на и др.).

Те­п­ло­вое из­лу­че­ние аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла опи­сы­ва­ет­ся Сте­фа­на – Больц­ма­на за­ко­ном из­лу­че­ния и План­ка за­ко­ном из­лу­че­ния. Из­лу­чат. свой­ст­ва ре­аль­ных тел от­ли­ча­ют­ся от свойств аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла, что учи­ты­ва­ет­ся с по­мо­щью спец. ко­эф. (сте­пе­ни чер­но­ты) ξ< 1, ко­то­рый ра­вен по­гло­ща­тель­ной спо­соб­но­сти те­ла A (Кирх­го­фа за­кон из­лу­че­ния). Те­ла, сте­пень чер­но­ты ко­то­рых не за­висит от дли­ны вол­ны из­лу­че­ния, на­зыва­ют­ся се­ры­ми те­ла­ми. При лю­бой темп-ре из­лу­че­ние аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла яв­ля­ет­ся мак­си­маль­ным. Се­рые те­ла и га­зо­вые сре­ды име­ют бо­лее низ­кую ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния. При оп­ре­де­ле­нии Л. т. ме­ж­ду отд. те­ла­ми важ­ную роль иг­ра­ет по­ня­тие сред­не­го уг­ло­во­го ко­эф., или ко­эф. вза­им­ной об­лу­чён­но­сти, ко­то­рый по­ка­зы­ва­ет, ка­кая до­ля по­лу­сфери­че­ско­го (т. е. из­лу­чае­мо­го по всем направ­ле­ни­ям в пре­де­лах по­лу­сфе­ры) из­лу­че­ния не­ко­то­рой по­верх­но­сти, вхо­дя­щей в сис­те­му Л. т., па­да­ет на дан­ную по­верх­ность (Лам­бер­та за­кон). Рас­чёт Л. т. ме­ж­ду из­лу­чаю­щи­ми, по­гло­ща­ющи­ми и рас­сеи­ваю­щи­ми сре­да­ми и по­верх­но­стя­ми ос­но­ван на ре­ше­нии ин­тег­ро­диф­фе­ренц. урав­не­ния пе­ре­но­са из­лу­че­ния.

При по­вы­ше­нии темп-ры тел из­лу­че­ние их рез­ко воз­рас­та­ет, вслед­ст­вие че­го при темп-рах св. 600–1000 °С пе­ре­нос те­п­ло­ты из­лу­че­ни­ем ста­но­вит­ся пре­об­ла­даю­щим по срав­не­нию с те­п­ло­про­вод­но­стью и кон­век­ци­ей. Роль Л. т. так­же уве­ли­чи­ва­ет­ся при по­ни­же­нии плот­но­сти сре­ды, за­пол­няю­щей про­стран­ст­во ме­ж­ду те­ла­ми, а в ус­ло­ви­ях глу­бо­ко­го ва­куу­ма он ста­но­вит­ся един­ст­вен­но воз­мож­ным ви­дом те­п­ло­об­ме­на. По­это­му зна­че­ние Л. т. осо­бен­но ве­ли­ко в совр. об­лас­тях тех­ни­ки, свя­зан­ных с при­ме­не­ни­ем вы­со­ких температур и ва­куу­ма: в ядер­ных ре­ак­то­рах, топ­ках па­ро­вых кот­лов, ка­ме­рах сго­ра­ния авиа­ци­он­ных и ра­кет­ных дви­га­те­лей, в элек­трич. ду­гах; Л. т. оп­ре­де­ля­ет те­п­ло­вой ре­жим кос­мич. ап­па­ра­тов в от­кры­том кос­мо­се и те­п­ло­вые на­груз­ки при вхо­де спус­кае­мых ап­па­ра­тов в ат­мо­сфе­ру пла­нет со ско­ро­стя­ми, пре­вы­шаю­щи­ми вто­рую кос­ми­че­скую. За­ко­ны Л. т. ис­поль­зу­ют при оп­ре­де­ле­нии яр­ко­ст­ной и цве­то­вой тем­пе­ра­тур пла­ме­ни и тел, из­ме­ре­нии лу­чи­стых те­п­ло­вых по­то­ков (ра­дио­мет­ры), по­гло­ща­тель­ной спо­соб­но­сти тел и др. Не­по­сред­ст­вен­ное сни­же­ние Л. т. за счёт умень­ше­ния из­лу­чаю­щей спо­соб­но­сти ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся на прак­ти­ке (се­реб­ре­ние сте­нок тер­мо­сов и др.). Про­цес­сы Л. т. рас­про­стра­не­ны в при­ро­де: ими оп­ре­де­ля­ют­ся та­кие при­род­ные яв­ле­ния, как за­мо­роз­ки на поч­ве и пар­ни­ко­вый эф­фект ат­мо­сфер Зем­ли и Ве­не­ры; с Л. т. свя­за­ны ас­т­ро­фи­зич. про­цес­сы, про­те­каю­щие в ат­мо­сфе­рах и не­драх звёзд (см. Лу­чи­стое рав­но­ве­сие).