Корисник:Андриц1991/Песак
ПРЕНОС ТОПЛОТЕ ЗРАчЕЊЕМ
уреди1. МЕХАНИЗМИ ПРЕНОСА ТОПЛОТЕ
1.1. Постоје три н-λачина преноса топлоте:
Кондукција (провођење)
Конвекција (прелаз или преноше топлоте струјањем)
Зрачење (радијација)
1.2. Пренос топлоте кондукцијом (провођењем)
Количина топлоте која пролази, у јединици времена и по јединици површине, кроз изотермну површину на неком месту, пропорционална је градијенту температуре на том месту, једнацина 1 q_x^=-λ ∂т/∂x (1) Где је топлотни флукс у x правцу, W/м2; λ је коефицијент провођења топлоте, W/мК 1.3. Пренос топлоте конвекцијом
Конвекција је преношење топлоте при струјању флуида преко чврсте површине (зида) чија је температура различита (виша или нижа) од температуре флуида. Уколико је температура зида виша од температуре флуида, онда имамо одвођење тј. прелаз топлоте од зида.
2. РАДИЈАЦИЈА (ЗРАЧЕЊЕ)
Зрачење је кретање честица које имају таласну дужину, и најбоље се простире кроз празан простор. Зрачење има фундаментални значај за сав живи свет, с обзиром на то да представља јединствен начин на који Земља прима енергију од Сунца. Различита тела, која имају исту температуру, емитују различите енергије зрачења, што може да се провери експериментални путем. Пренос топлоте конвекцијом и кондукцијом праћен је, у већој или мањој мери појавом топлотног зрачења. Пренос топлоте зрачењем је већи сто је и температура топлотног извора већа. Узрокован је интрамолекуларним и атомским променама због чега се различити облици енергије претварају у енергију електромагнетског зрачења уз услов да је температура извора већа од 0 К. Енергија се преноси електромагнетским валовима различитих валних дуљина, а посебан значај имају они валови који се након апсорпције другог тела(које прима енегрију) поново претварају у топлотну енергију. То су светлости ( λ = 0,8 – 40 µм ). Зрачење у распону ових валних дуљина познато је као топлотно зрачење. Енергетска биланца темељи се на појавама природног топлотног зрачења па се ти основни закони могу овде применити, израз 2: Q = QА + QР + QП (2) где је: Q -енергија зрацења; QА -апсорбована енергија; QР -рефлектирана енергија; QП -енергија која пролази кроз тело.
3. PRENOS TOPLOTE ZRAČENJEM
Део електромагнетног зрачења које се емитује од неког тела због тога што се исто налази на одређеној температури, па се стога на рачун стања унутрашње енергије тела емитује зрачење зове се топлотним зрачењем.
-Слика 1. Зрачење између два тела (Т1>Т2) При топлотном зрачењу, топлота се слично светлости или радио таласима, преноси кроз простор невидљивим таласима брзином светлости. По својој суштини, овај начин преноса топлоте разликује се од провођења и прелажења топлоте, који су нужно повезани са постојањем супстанце кроз коју се топлота преноси. Само зрачењем топлота може да се простире кроз празан простор (вакуум) и са једног на друго тело, без њиховог контакта, чак и при веома великим међусобним растојањима. Механизам простирања топлоте зрачењем заснива се на потпуно различитим физичким механизмима у односу на кондукцију и конвекцију.
--Андриц1991 (разговор) 02:49, 12. април 2013. (ЦЕСТ)
Слика 2. Спектар електромагнетних таласа Топлотно зрачењем покрива релативно узак део спектра електромагнетног зрачења, приближно од 0.1 до 100 микрометара (μм) ( 1 мицрон= 1м =10-4 цм = 10-6м). Често се таласне дужине изражавају и у јединици ангстрем ( 1 Å= 10-10м). Од наведених спектралних подручја зрачења за људско око је видљиво оно у подручју топлотног зрачења за таласне дужине λ од 0,38 до 0,76 мм.
Као резултат топлотног зрачења, енергија, коју емитује тело одређене температуре (по јединици површине), пропорционална је апсолутној температури тела на четврти степен Т4, једнацина 3; Е = σТ4 (3) где је σ константа пропорционалности која се назива Стефан – Болтзманнова константа која износи 5.669•10-8 W/м2К4. Такво тело се назива црно тело и оно човечијем оку изгледа потпуно црне боје. Такво тело такође у потпуности апсорбује топлотно зрачење које пада на њега. Стога енергија која се по јединици површине и јединици времена простире (размењује) између два црна тела различите температуре је, једнацина 4:
q"=σ(Т_1^4-Т_2^4) (4) Ово представља Стефан – Болтзманнов закон топлотног зрачења и односи се на црна тела различитих температура. Тела која се не могу сматрати црним телима, тзв. Сива тела и сва друга тела мање ефикасна у емитовању енергије у односу на црно тело, али се и даље интензитет топлотног зрачења тих тела може сматрати пропорционалан са Т4. Такође када се посматра зрачење између два тела, узимајући у обзир да електромагнетни таласи путују право (тј по правој линији), део енергије зрачења се изгуби на околину уколико се површине два тела које зраче не пројектују једна на другу у истој величини. Имајући у обзир ове реалности, топлотни флукс се рачуна као: q"= σФ_ε Ф_(1-2) (Т_1^4-Т_2^4) (5) где су: Фε и Ф1-2 корекциони фактори;
Фε се односи на емисивност површине ε која је мања него код црног тела (ε се одређује експериментално); Ф1-2 је геометријска корекција; (јер се површине које размењују зрачење не поклапају и израчунавање овог фактора је у пракси често компликовано).
4. ТОПЛОТНО ЗРАЧЕЊЕ
Топлотно зрачење је након кондукције и конвекције, посебан механизам простирања топлоте. Код простирања топлоте кондукцијом и конвекцијом видели смо да се топлота простире кроз одговарајући медиј услед градијента температуре. Код простирања топлоте зрачењем медиј није неопходан, јер се зрацење одвија у виду електромагнетних таласа. Свако присуство медија преставља препреку, тако да се зрачење најбоље простире у вакуму. Топлотно зрачење је последица претварања унутрашње енергије тела у зрачење.
Основни облици електромагнетног зрачења су таласна дужина и фреквенција. λ=C/в (6) C – Брзина светлости за дати медиј; λ – таласна дужина; ν–Фреквенција. Брзина светлости у вакуму је једнака:
C= Ц_0=2,998*〖10〗^8 м/с (7) У сферном координационом систему, просторни угао дω обухвата подручје одређено снопом зрака у делу површине сфере дАн и за сферу радијус р дат је релацијом : д_w=(дА_н)/р^2 (8) Свако тело зрачи топлоту брзином која је сразмерна четвртом степену његове апсолутне температуре (Стефан-Болтзманов закон) Q/Δт=εσСТ4 (9)
ε – emisivnost;
σ - Степхан-Болтзманова константа ( 5,67*10-8 W/м2К2 ); С – поврсина; Т - апсулутна температура. 5. РАСПОДЕЛА ЕНЕРГИЈА ЗРАЧЕЊА У СПЕКТРУ АПСОЛУТНО ЦРНОГ ТЕЛА
При анализи карактеристика топлотног зрацења површина тела у природи уводи се, ради референтног стања, концепт апсулутног црног тела. Подразумева се да апсулутно црно тело апсорбује сво зрачење, дакле апсорбује све топлотне зраке који падају на дато тело независно од таласне дужине зрака под углом којим падају на површину црног тела. Такође, црно тело емитује на одређеној температури и за одређени опсег таласних дужина зрака, али не зависи од смера у ком зраци напуштају површину црног тела. Због тога се исто назива дифузни емитер. Израчунавајуци топлотно зрачење Планцк је поставио познату теорију спектралне расподеле зрачења апсулутног црног тела у форми. И_( λ ,е) (λ,Т)= И_( λ ,б) (λ,Т)= (2хц_0^2)/(λ^5 [еxп〖(хц_0)/λкТ- 1〗 ] ) (5.1) Где је: ц0 – брзина светлости у вакууму = 2,998*108 м/с, х – Планцкова константа = 6,6256*10-34 Ј/с, к – 1,2805*10-23 Ј/К (Болтзманова константа), Т – апсулутна температура тела,К. Пошто је црно тело дифузни емитер, онда из израза (5.1) имамо: Е_( λ ,б) (λ,Т)= 〖πИ〗_( λ ,б) (λ,Т)= 1/λ^5 *ц_1/[еxп〖ц_2/λТ- 1〗 ] (5.2) Где је: ц1 и ц2 – константе зрачења,
c1 = 2hc_0^2 = 3,742*108 Wµm4/m2,
ц2 = (хц0/к) = 1,439*104 µм К. Израз (5.2) је,тзв. Планцкова дистрибуција и на слици 3 дате су вредности ове релације за различите вредности параметра Т. Из израза (5.2) видимо да је Е_( λ ,б) континуирана функција од и за свако λ топлотни флукс зрацења (густина енергије зрачење) Е_( λ ,б) расте с порастом температуре тела које емитује зрачење. Анализирајући криве на слици 3 очигледно је да мањим таласним дузинама припада процентуално већа количина енергије зрацења, тј.висе зрачења припада малим λ с порастом Т. Ако се сунце моделира као апсулутно црно тело на температури 5800 К са слике 3 видимо да је главнина максималног интензитета зрацења у опсегу видљиве (дневне) светлости.
Максималне тацке кривих на слици 3 су повезане релацијом: λмаx Т = ц3 = 2897,8 µм К (5.3) која се добија диференцирањем (5.2) по λ и изједнаци добијени израз са 0. Релација (5.3) се назива Wиенов закон.
Slika 3. Plankova raspodela energije zracenja u spektru apsuluntog crnog tela
6. КИРХОФОВ ЗАКОН
Кирхофов закон преставља везу измедју емисионе и абсорпционе способности тела.
(6.1) - Energija koja se sa okoline emituje na telo;
ЕА - Енергија коју тело емитује ка околини (А је поврсина тела); α - коефицент абсорпције за апсолутно црно тело . Ако сада предпоставимо да је дато тело црно тело, а околина представља шупљину (слика 4) која се понаса као апсулутно црно тело, онда последња релација има облик:
EbA=qA (6.2)
Јер је коефицијент апсорбције за апсулутно црно тело α=1
Slika 4. Supljina (model) aproksimira crno telo
Дељењем израза 6.1 и 6.2 добијамо: Е/Е_б = α
Како смо раније видели израз даје:
ε = E/E_b = α
Ова релација је позната као Кирцххоффов закон. Из поступка изводјења задње релације постаје јасно да је способност емисије неког стварног тела увек мања од емисионе способности апсулутног црног тела, јер је коефицијент пасорпције стварног тела увек мањи од јединице.
Емисиона способност реалног тела је увек мања од емисионе способности апсолутног црног тела јер је коефицент абсорпције апсолутног црног тела α=1, а код реалног мањи од 1.
7. АПСОРПЦИЈА, РЕФЛЕКСИЈА, ПРОПУСНОСТ
Где се однос апсорбоване и укупно дозрачене енергије дефинише као апсорптивност (а), однос рефлектоване и дозрачене енергије као рефлективност (р), а однос пропуштене и дозрачене енергије као прозрачност (п), тако да важи: а+р+п=1 За чврста тела најчешће је п=0, односно а+р=1. -У зависности од односа енергије могућа су три случаја: 1- ако је: Ė=Ėа ; а=1 ; р=0 - чврсто тело апсорбује сву дозрачену енергију (црно тело); 2- ако је: Ė=Ėр р=1 а=0 – тело рефлектује сву дозрачену енергију (бело тело); 3- ако је: Ė=Ėа +Ėр 0<а<1 0<р<1 – то представља реално, тзв. (сиво тело). Према Кирхофовом закону, на одређеној температури, апсорпција и емисија зрачења сивог тела су међусобно једнаке, односно апсорптивност је једнака емисивности (а=ε), Одакле следи да тело које најбоље апсорбује топлотно зрачење најбоље га и емитује. Ова чињеница омогућава да се моделира зрачење црног тела, као зрачење из шупљине, која, с обзиром на то да у потпуности апсорбује све топлотне зраке, истовремено их идеално и емитује. У природи су тела мање или висе сива, а однос измедју апсорбоване, рефлектиране енергије и енергије која пролази кроз тело зависе од природе тела, његове температуре, валној дуљини зрацења, о карактеристикама поврсине тела (храпава или глатка). За сиво тело се подразумева такво тело које зраци на свим таласним дужинама као и апсулутно црно тело, само сто му је интензитет зрачења смањен и зависи од правза зрачења, тј. угла под којим зраци напуштају површину, тј.оно није дифузни емитер као апсулутно црно тело. Проводеци ово у пракси уводи се карактеристика површине реалног тела која се назива коефицијент емисије или емисивност површине и генерално дефинише релацијом:ε_(λ ,θ) (λ,θ,ψ,Т)=(И_(λ,е) (λ,θ,ψ,Т))/(И_(λ,б) (λ,Т))
-Слика 5. Спеектар зрацења за апсулутно црно тело и реално тело Црно тело апсолутно упија упадно зрачење, па му је апсорптивност а = 1 и рефлектривност р = 0. I на одређеној температури максимално апсорбије и одаје енергију. Интензитет зрацења апсулутног црног тела зависан је о температуре и таласној дужини (Планцков закон). Порастом температуре повећава се и интензитет зрачења, а максимум криве помиче се према краћим таласним дужинама ( као сто се види на графику ).
Однос енергије зрачења реалног тела, према енергији зрачења црног тела, на истој температури, дефинише се као емисивност ( степен црноће) :
ε=C/Cc ( koja se kao tablična, bezdimenzionalna vrednost navodi u tabeli ).
Материјал Степен зацрњења Алуминијум 0.05 - 0.07 Ал – премаз 0.4 Азбест 0.96 Бакар 0.57 - 0.87 Дрво 0.9 Гипс 0.78 - 0.90 Лакови 0.80 - 0.98 Ливено гвожђе 0.96 Олово 0.28 Стакло 0.94 Вода 0.93 Зид од опеке 0.93 Поцинковано гвожђе 0.27
Tabela 1. Stepen crnoce razlicitim materijala
8. ЗРАЧЕЊЕ ГАСОВА
Поребно је нагласити дас у гасови, за разлику од чврстих I тецних тела, прозрачних, у већој или мањој мери, за топлотне зраке. За једноатомски I двоатомски гасови могу се сматрати скора потпуно прозрачни. Медјутим, троатомски I висеатомски гасови (нпр.ЦО2, Х2О (пара), НХ3,разни хидрокарбонати у гасном стању ) само су делимицно прозрачни. Они имају способност апсорпције (па I зрацење) топлотних зрака у широком опсегу температуре. Ово је, нпр.вазно за ложишта парних котлова у којима се јављају ЦО2, Х2О као продукти сагоревања I на релативно високим температурама зраче знатне количине енергије. Међутим, гасови емитују I апсорбују топлотне зраке само у одређеним интервалима таласних дужина(λ), док су за зраке других таласних дужина прозрацни I њихова енергија зрацења једнака је нули у том слуцају. Другим рецима, зрацење гасова је углавном селективно (слика 6). Полазеци од цињенице дас у чврста тела практично непрозрацна за топлотне зраке, онда та тела зраце само из поврсинског слоја, односно апсорбују топлотне зраке (дозрачену енегрију) у свом танком површинском слоју (у дубини од само неколико микрометара(микрона)). С друге стране, зрачење I апсорбција (уствари апсорпција) код гасова дешавају се поп целој запремини гаса, тј.имамо запремински феномен уместо површинског.
-Слика 6. Илустрација селективног зрацења гасова Када топлотни зраци падају на слој гаса који има извесну способност да апсорбује зраке дате таласне дужине, тада зраци излазе из слоја с ослабљеним интензитетом. За монохроматски зрак интензитета Иλ који продире кроз слој гаса дебљине дx (слика 7) имамо: дИ_λ (x)= -к_λ И_λ (x)дx
Slika 7. Apsorpcija u gasnom sloju
Ако је константа к_λ (константа апсорпције) независна од x, онда интеграцијом задње једначине имамо:
(И_λ (x=L))/(И_λ (x=0))= е^(-к_λ L)
Овај израз назива се Бееров закон.
Како је лева страна израза уствари коефицијент трансмисије τ_λ, онда је :
τ_λ = (И_λ (x=L))/(И_λ (x=0))= е^(-к_λ L)
Ако гас неиспољава рефлективна својства, онда је коефицијент апсорпције α_λ дат као:
α_λ=1- τ_λ=1- е^(-к_λ L)
У слуцају да вази Кирцххоффов закон онда је:
α_λ= ε_λ
9. ЗАКЉУЧАК
Зрачење има фундаментални значај за сав живи свет, с обзиром на то да представља јединствен начин на који Земља прима енергију од Сунца.
Различита тела, која имају исту температуру, емитују различите енергије зрачења.
По својој суштини, овај начин преноса топлоте разликује се од провођења и прелажења топлоте, који су нужно повезани са постојањем супстанце кроз коју се топлота преноси.
Механизам простирања топлоте зрачењем заснива се на потпуно различитим физичким механизмима у односу на кондукцију и конвекцију.
--Андриц1991 (разговор) 02:49, 12. април 2013. (ЦЕСТ)Андриц