Тела, для которых коэффициент Аλ для монохроматического излучения не зависит от длины волны, называются серыми телами. Для серых тел Аλ = const≤1, так как серые тела поглощают не всю падающую на них лучистую энергию. Часть падающей энергии будет отражаться или пропускаться через объем этих тел. Плотность отраженного излучения

Еотр = REпад ,

где R – коэффициент отражения. Если R = 1 и процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики, то поверхность тела называют зеркальной; при диффузном отражении поверхность называют абсолютно белой. Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется пропускательным излучением:

Епроп = DEпад ,

где D – коэффициент проницаемости.

Тела, у которых D =1, называются проницаемыми, прозрачными или диатермичными телами (тонкие слои сухого воздуха, одноатомных газов). Для твердых и жидких тел принимается D = 0, так как практически вследствие значительной поглощательной способности они поглощают лучистую энергию в тонком поверхностном слое.

Совокупные процессы взаимного испускания, поглощения, отражения и пропускания энергии излучения в системах различных тел называются лучистым теплообменом, причем тела, входящие в данную излучающую систему, могут иметь одинаковую температуру. Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с другими телами, согласно закону сохранения энергии можно составить следующие уравнения теплового баланса.

Для плотности падающего излучения

Епад = Епогл + Еотр + Епроп.

Уравнение теплового баланса может быть записано также в форме

A + R + D = 1,

если предыдущую зависимость поделить на Епад и учесть предыдущие соотношения.

Сумма собственного излучения и отраженного излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется эффективным излучением. Плотность потока эффективного излучения выражается зависимостью

Еэфф = Е + REпад.

Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры других окружающих его тел. Кроме того, оно зависит от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве.

Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство. Результирующее излучение может быть определено двумя способами. Относительно условной поверхности, находящейся вблизи тела:

qрез = Е – Епогл = Е – АЕпад.

Второй способ определения плотности результирующего потока приводит к соотношению

qрез = Еэфф – Епад.

Между результирующим и эффективным излучениями можно установить связь. Эффективное излучение:

Еэфф = qрез + Епад ,

а падающее излучение:

.

Заменив Епад в первой зависимости второй, получим:

.

Для черного тела А = 1 и Еэфф = Е0.

Из изложенного следует, что все виды полусферического излучения, кроме собственного излучения, являются линейными функциями падающего излучения. Собственное излучение объединяется и увязывается с другими видами излучения через эффективное излучение.

Законы теплового излучения

Закон Планка

В силу общей природы электромагнитных волн основные законы, которым подчиняется излучение, являются для них общими. Эти законы получены применительно к идеальному телу, которым является абсолютно черное тело, и термодинамически равновесному излучению. При равновесном излучении все тела, входящие в данную замкнутую излучающую систему, принимают одинаковую температуру.

Закон Планка является одним из основных законов излучения. Он устанавливает зависимость интенсивности излучения от температуры и длины волны:

, вт/м2.

Здесь с1 = 0,321∙10-15 ккал∙м2/ч = 0,374∙10-15 вт∙м2 – первая постоянная Планка; с2 = 1,4388∙10-2 м∙°К – вторая постоянная Планка; λ – длина волны, м; Т – абсолютная температура, °К.

Согласно уравнению каждой длине волны соответствует свое значение интенсивности излучения. Поскольку закон Планка получен для идеального тела, для реальных тел он выражает максимально возможную интенсивность излучения.

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:

,

где С – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом лучеиспускания.

Если Q выражено в вт, а F в м2, то размерность коэффициента лучеиспускания

.

Наибольшее значение коэффициент лучеиспускания имеет для абсолютно черного тела:

Cs = 5,68 вт/м2∙°К4.

Для других тел коэффициент лучеиспускания можно выразить через коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела:

С = εСs = 5,68ε вт/м2∙°К4,

где величина ε, называемая степенью черноты тела, представляет собой отношение коэффициента лучеиспускания данного тела по отношению к коэффициенту лучеиспускания абсолютно черного тела.

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.

Теплообмен лучеиспусканием между телами

Тела не только излучают, но также поглощают и отражают энергию, излучаемую окружающими телами.

Количество тепла, отданного телом с абсолютной температурой Т1 окружающим его более холодным телам с абсолютной температурой Т2, составляет:

,

где ε – приведенная степень черноты системы, F – условная расчетная поверхность теплообмена.

Лучеиспускание газов

Значительной поглощательной и лучеиспускательной способностью обладают многоатомные газы, в частности двуокись углерода (CO2), водяной пар (H2O), сернистый ангидрид (SO2), аммиак (H3N) и др.