СӘУЛЕЛІК ЖЫЛУАЛМАСУ
Мазмұны: Бет
-
Процессті сипаттау; 2
Сәулелену ағынының тығыздығы; 3
Сәулелену ағынының денелермен (ортамен) әрекеттесуі; 4
Жылулық сәулелену заңдары; 5
Пайдаланылған әдебиеттертер. 7
1. ПРОЦЕССТІ СИПАТТАУ
Сәулелік жылуалмасу процесі жылутехникада, ядролық энергетикада, зымыран техникасында, металлургияда, жарықтехникасында, кептіру техникасында, химиялық технологияда, гелиотехникада және т.б кең ауқымда қолданас тапты.
Қызған дене (орта) сәулелеу энергиясын тудырушы көзі болып табылады; соңғысы өзін фотон немесе электромагниттік толқының энергиясын көрсетеді. Қызған дене (орта) массасында ішкімолекулярлық және ішкіатомдық күрделі бүлік көрсету басталып, аяғында бұл дененің ішкі энергиясының толығымен сәулелену энергиясына айналады. Сәулелену процесінің, сәуле шығаратын дененің(ортаның) ішкі энергиясының сәулелену энергиясына айналуы нәтижесінде пайда болуын шығарылу деп атайды.
Жылулық сәулелену - сәулеленуші дененің (сәуле шығарушы) ішкі энергиясының электромагниттік толқындар түрінде таралу процесін сипаттайды. Электромагниттік толқындар – дегеніміз, сәулеленетін денеден шығатын электромагниттік ауытқулар және де ваккумда с=2,9979∙108мс жарық жылдамдығымен таралады. Қандайда болмасын денненің электромагнитік толқындарды жұтуы, олардың қайтадан молекулалардың жылулық қозғалыс энергиясына айналуына әкеледі. Электромагниттік толқындарды тудырушы, материальдың зарядталған бөлшектері: заттың құрамына кіретін электрондар мен иондар. Сонымен бірге ионның тербелісі төмен жиіліктегі сәулеленуге сәйкес келеді; электронның қозғалысын қамтамасыз ететін сәулелену, өте үлкен жиілікке ие болуы мүмкін, егерде заттың атомы мен молекуласның құрамына кірсе және де молекулалар өзінің маңында едәуір күштерді тепе-теңдікте ұстай алса.
Металлдарда көптеген электрондар емін-еркін болады. Сондықтан бұл жағдайда теппе-теңдік центрі төңірегінде тербеліс туралы айтуға болмайды. Электрондар қозғалады және осы кезде тұрақсыз тежелуге түседі. Сол себепті металлдың бұл сәулеленуі импульс мінезін иеленеді және әртүрлі жиіліктегі толқынға, солардың ішінде төменгі жиіліктегі толқындарға да ие болады. Сонымен қатар сәулеленеудің толқындық қасиеттінен басқа, корпускулярлық қасиеткеде ие болады. Корпускулярлық қасиеттінің мәні,сәулелік энергия заттарда, жеке дискретті мөлшерде – жарық кванттары немесе фотондар түрінде үздіксіз шығарылады және жұтылады. Шығарылған фотон- энергияға, қозғалыс мөлшеріне және электромагниттік массаға ие болатын материя бөлшегі. Сондықтан жылулық сәулелеленуді фотондық газ түрінде қарастыруға болады.
Квант энергиясы эквиваленттік электромагнит өрісінің тербеліс жиілігіне байланысты. Бір квант үшін энергия теңдеуін мына түрде көрсетуге болады:
ε=һν (1.1)
Мұндағы һ=6,63∙10-34 ∂ж∙сек-Планк тұрақтысы.
Электромагниттік толқындар, немесе кванттар, тек энергияға ие болып қана қоймайды, бір квант үшін һνс абсолютті шамасымен анықталатын импульске де.
Қызған (температурасы Т1) және суық (температурасы Т2) екі дене арасындағы сәулелік жылуалмасу келесі түрде өтеді: қызған дене энергиясын қоршаған ортаға, оны суық денеге жеткізетін, электромагниттік толқын немесе фотон түрінде шығарады. Жеткен сәулелену энергиясының ішке энергияға айналуы болып, нәтижесінде суық дене температурасы көтеріледі. Сәулелену энергиясының, жұтушы дененің (ортаның) ішкі энергияға айналу процесін жұтылу деп атайды.
Барлық денелер үздіксіз сәулелену энергиясын шығарады және жұтады; оқшауланған жүйені құрайтын бірдей температуралы екі денені қарастырай: екі дене үздіксіз сәулелену энергиясын шығарады және жұтады, бірақ та бұл жағдайда денелердің ішкі энергиясы да, сол сияқты температурасы өзгеріссіз қалады.
Электромагниттік толқын ұзындығының сандық айырмашылығы, бұл әртүрлі ұзындықтағы толқынының жалпы құбылыс жағынан әртүрлі айқындықта байқалуынна әкеледі. Сонымен, қысқа толқынды сәулеленудің кванттық (корпускулярлық) қасиеті өте айқынырақ көрінеді. Керсінше,радиотолқындардың толқындық қасиеттінің мінездемесі өте айқынырақ бақыланады.
Кесте 1.1
Электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығына байланысты бөлінуі
Сәулелендің түрі |
Толқын ұзындығы,мм |
Сәулеленудің түрі |
Толқын ұзындығы,мм |
Ғарыштық γ-сәулелену Ренгендік Ультракүлгін |
0,05∙10-9 0,5÷0,10∙10-9 1∙10-9÷2∙10-5 2∙10-5÷0,4∙10-3 |
Көрінетін Жылулық(инфра-қызыл) Радиотолқындар |
0,4÷0,8∙10-3 0,8∙10-3÷0,8 >0,2 |
Көптеген қатты және сұйық денелер үздіксіз сәулелену спектрна ие болып, барлық толқын ұзындықтарындағы - 0 -ден ∞-ке дейінгі,сәулелік энергиясын шығарады. Үздіксіз сәулелену спектрна ие болатын қатты денелерге, жартылайөткізгіштер мен өткізгіш еместер және кедір-бұдырлы тотыққан бетті металлдар жатады. Бетті жылтыратылға металлдар, газдар мен булар сәулеленудің үзілісті спектрна сай келеді. Сәулелену қарқындылығы дененің табиғатына, толқын ұзындығына, беттінің қалпына байланысты болады, ал газдарда ол қабыт қалыңдығы мен қысымға. Сондықтан бұл сәулелік жылуалмасу процесіне тек жұқа қабатты беттер қатысады: жылу өткізгіш еместерге ол 1мм аралығын қамтыйды, ал жылу өткізгіштерге 1мкм. Сондықтан бұл жағдайларда жылулық сәулеленуді салыстырмалық түрде беттік құбылыс деп қарастыруға болады. Жартылаймөлдір дене (еріген кварц,әйнек,оптикалық керамика және т.б), сонымен қатар газдар мен булар көлемдік сәулелену мінезімен, яғни заттың көлеміндегі барлық бөлшектердің қатысуымен сипатталады. Барлық денелердің сәулеленуі температураға байланысты болады.Дененің температурасы көтерілгенде,оның ішкі энергиясы артатындықтан сәулелену энергиясыда артады. Осы сәтте тек энергия шамасы өзгеріп қана қоймайды, сонымен қатар спектр құрамыда. Температура көтерілгене қысқатолқынды сәулелену қарқындыылғы артады да және ұзынтолқынды сәулелену қарқындылығы төмендейді. Сәулелену процесінің температураға тәуелділігі, жылуөткізгіштік пен конвекцияға қарағанда өте маңызды. Сондықтан бұл жоғары температурада негізгі тасымалданушының түрі жылулық сәулелену болуы мүмкін.
2.СӘУЛЕЛЕНУ АҒЫНЫНЫҢ ТЫҒЫЗДЫҒЫ
Сәулелену энергиясының бірлік уақытта, берілген бет арқылы өтетін мөлшерін сәулелену ағыны деп атайды және Qc деп белгілейді. Сәулелену ағысын монохроматтық және интегралдық болып бөлінеді. Жиіліктің (толқын ұзындығы) жеткілікті аз аралық санына сай келетін, яки жиіліктің (толқын ұзындығы) берілген мәнімен сипаттауға болатын сәулеленуді, монохроматтық сәулелену деп атайды. Барлық жиілік(толқын ұзындығы) спектрна, 0 -ден ∞-ке дейінгі сай келетін сәулеленуді, интегралдық сәулену деп атайды.
Жартысфералық денелік бұрышпен (Ω=2π) шектелген, бірлік бет арқылы, мүмкін болатын бағытта өтетін сәулелену ағыны, сәулелену ағынының тығыздығы деп атайды және де кв.метрдегі ваттпен өлшенеді (вт/м2)
E=dQcdF (2.1)
Денелік бұрышпен (Ω=4π) шектелген, сәулеленуші ортаның бірлік көлеміне қатысты көлемдік сәулеленудің ағынын, көлемдік сәулелену ағынының тығыздығы деп атайды және де куб.метрдегі ваттпен өлшенеді (вт/м3)
η=dQcdV (2.2)
3.CӘУЛЕЛЕНУ АҒЫНЫНЫҢ ДЕНЕЛЕРМЕН (ОРТАМЕН) ӘРЕКЕТТЕСУІ
Денеге (ортаға) түсетін Qтүс сәулелену ағынының, жалпы жағдайда үш бөлікке бөлінуі мүмкін: біреуі жұтылады Qжұт, келесісі шағылысатын Qшағ, үшіншісі дененің келесі жағына өтуі Qөту. Негізгі энергия сақталу заңын мына түрде жазуға болады:
Qтүс=Qжұт+Qшағ+Qөту. (3.1)
Белгілеулер енгізейік
QжұтQтүс=A; QшағQтүс=R; QөтуQтүс=D, (3.2)
мұндағы А - жұту қабілетті;
R - шағылыстыру қабілеті;
D – өткізу қабілетті.
Есептеу бойынша (3.1) теңдеуді мына түрде көрсетуге болады
A+R+D=1. (3.3)
Шектік шартарды қарастырайық.
Егер дене үшін A=0; D=0 және R=1 болса, онда ол өзіне түскен барлық сәулелік энергияны шағылыстырады және диффузиялық шағылысудағы абсолютті ақ, немесе геометралық оптика заңына негізделген шағылысуда айналы деп аталады. Абсолютті ақ және айналы денелер табиғатта жоқ.
Егер дене үшін A=0; R=0 және D=1 болса, онда ол өзіне түсен барлық сәулелік энергияны келесі жағына өткізеді және абсолютті өткізуші (мөлдір) деп атайды. Абсолютті өткізуші дене табиғатта жоқ.
Шектелген қасиетті денелерді, нақты денелер арасында, сәулелеу арқылы жылу тасымалдануын қарастыратын күрделі жағдайды жеңілдетуге қолданылады және жалпы жағдайда (3.1) қатынас дұрыс болады.
Қарапайым екі сәуленуші денелер жүйесін қарастырайық –бірінші және екінші. Кеңістікте таралатын, сәулелену ағын тығыздығы, мысалы бірінші дене үшін, дененің жеке өзінің сәулелену ағын тығыздығының және екінші дененің шағылысқан сәулелену ағын тығыздығы қосындысы түріне қарастыруға болады. Бұл қосындыны сәулеленудің нәтижелілік ағын тығыздығы деп аталады.
E1,нәт =E1,жек+Eшағ (3.4)
Дененің жеке өзіне тәуелді сәулелену ағын тығыздығы E1,жек , бірінші дененің физикалық қасиетіне және температурасына байланысты болады. Шағылысқан сәулелену ағын тығыздығы, екінші дененің жеке өзіне тәуелді, түсетін сәулелену ағын тығыздығы деп аталатын сәулелену ағын тығыздығына E2,жек және бірінші дененің жұту қабілеттіне байланысты болады. Оны мына теңдеумен анықтауға болады:
Eшағ=E2,жек1-А1. (3.5)
Қарастырылған жағдай үшін, бір денеден екінші денеге тасымалданған жылу мөлшері q1,2, мына теңдеу арқылы анықтауға болады:
q1,2=E1,нәт=E1,жек-Eжұт. (3.6)
мұндағы E1,нәт- бірінші дененің нәтижелілік сәулелену ағын тығыздығы;
екінші дененің жеке өзіне тәуелді сәулелену бір бөлшегі.
Қорта айтқанда, q1,2 шамасын анықтау үшін, сәулелек жылуалмасуға қатысатын, дененің жеке өзіне тәуелді сәулелену ағын тығыздығын да, және олардың жұту қабілетін таба білу керек.
Жеке өзіне тәуелді сәулелену E1,жек және E 2,жек ағын тығыздығын табу үшін жылулық сәулелену заңын қолданамыз; дененің жұту қабілетін зерттханалық жолмен анықтаймыз.
4.ЖЫЛУЛЫҚ СӘУЛЕЛЕНУ ЗАҢДАРЫ
Планк заңы. Бұл заң қара дененің сәулеленуінің (сәуле шығару) қарқындылығының температура мен толқын ұзындығына тәуелділігін орнатты:
 , |
(4.1) |
мұндағы I0λ - сәуле шығару қарқындылығы, Вт/м3;
C1- тұрақты, C1= 3,710-16 Втм2;
C2- тұрақты, C2= 0,0144 мК.
Вин заңы. Неміс физигі В. Вин термодинамика және электродинамика заңдарына сүйене отырып толқын ұзындығының температураға тәуелділік заңын ашты. Сонда абсолют қара дененің жылулық сәуле шығару қарқындылығының максимал мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы (λ0) оның абсолютті температурасына кері пропорционал болады, яғни Виннің ығысу заңы деп атайды.
|
, |
(4.2) |
мұндағы λ0-жылулық сәулеленудің максималды қарқындылығына сәйкес келетін толқын ұзындығы, м.
Стефан – Больцман заңы. Бұл заң дененің сәулешығару қабілетінің Е, бір сағат ішінде сәулеленетін дененің энергия мөлшерінің Q және дененің бетінің ауданы F арасындағы тәуелділік байланысын орнатады.
|
. |
(4.3) |
Сәулелену знергиясы толқын ұзындығы λ және температураға Т байланысты.
Абсолютті қара дененің сәулешығару қабілетімен Е0 оның абсолютті температурасы арасындағы байланыс мына түрде анықталады:
|
, |
(4.4) |
мұндағы σ0 - абсолютті қара дененің сәуле шығару тұрақтысы, σ0 = 5,6710-8 Вт/(м2К4).
Практикалық есептерді жеңілдету үшін бұл теңдеу мына түрде қолданылады:
|
, |
(4.5) |
мұндағы C0 - абсолютті қара дененің сәуле шығару коэффициенті, C0= 5,67 Вт/(м2К4).
Нақты денелер үшін бұл заң мына түрде беріледі:
|
, |
(4.6) |
мұндағы - сұр дененің сәуле шығару коэффициенті, Вт/(м2К4).С шамасы әрқашанда С0 шамасынан кіші болады және ол 0-ден 5,67 дейінгі аралықта өзгереді.
Салыстырмалы сәуле шығару қабілеті (дененің қаралық дәрежесі):
|
. |
(4.7) |
ε мәні 0-ден 1-ге дейінгі аралықта өзгереді. Бұл заңды ескерсек, онда сұр дененің жылулық сәуле шығаруы:
|
. |
(4.8) |
Кирхгоф заңы. Бұл заң денелердің сәулешығару және жұту қабілетті арасындағы байланысты орнатады.
Параллель орналасқан екі дене арасындағы сәулелік энергиямен алмасуын қарастырайық, және де біреуінің температурасы Т0-ға тең абсолютті қара және сәулешығару қабілетті Е0 болып, ал екіншісінің температурасы Т-ға тең сұр және сәулешығару қабілетті Е болсын. Бұл жағдай үшін Т>T0 қатынасы, абсолютті қара дене арқылы қабылданатын жылу мөлшеріннің қосындысы анықтайды:
q=E+E01-QAQ-E0=E-E0QAQ. (4.9)
мұндағы E01-QAQ- сұр дене арқылы шағылысатын энергия мөлшері.
Егерде Т0=Т болған жағдайда, бір денеден екіншісіне берілетін жылу мөлшері нольге тең болады.
Сонымен:
E-E0QAQ =0; E=E0QAQ;E0=EQQA. (4.10)
Бұл Кирхгоф заңының теңдеу болып табылады. Бұл заң бойынша дененің сәулешығару қабілетінің олардың жұту қабілетті арсындағы байланысты сипаттайды. Ал жұту қабілетті берілген температурадағы абсолюттік қара дененің сәулешығару қабілетіне тең болады және тек температураға ғана тәуелді болады.
Ламберт заңы. Бұл заң әртүрлі бағыт бойынша сәуле шығару қарқындылығының өзгерісін сипаттайды және мына түрде жазылады:
|
, |
(4.11) |
мұндағы Еφ - сәулеленген дененің, φ бұрыш бетіне нормал жасайтын бағыты бойынша алынған, энергия мөлшері;
Еn- дене бетіне нормал бағытталған сәулелену, энергия мөлшері.
Бұл теңдеуді интегралдау арқылы мына қатынасты аламыз:
|
, |
(4.12) |
Бұдан біз, нормал бойынша сәуле шығару қабілетті, дененің жалпы сәуле шығару қабілеттінен π рет кіші екенін айта аламыз.
Ламберт заңы абсолютті қара дене үшін ғана қатаң түрде дұрыс болады. Сұр денелер үшін бұл заң φ= (0÷60)0 аралығында ғана анықталады.
6.ПАЙДАЛЫНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР:
536(075.8)
Ю16 Юдаев.Б.Н. Теплопередача: учебник / Б.Н. Юдаев.- М.: Высш. шк., 1973.- 360с.
536
Б70 Блох.А.Г. Теплообмен излучением: Справочник / А.Г.Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 432 с.