Урок № 17
Теплообмен излучением
План урока
1. Понятие излучения
2. Вычисление энергии, падающей на тело
3. Закон Стефана – Больцмана
4. Закон Кирхгофа
5. Закон Ламберта
Теплообмен излучением связан со взаимным превращением тепловой и лучистой энергии.
Лучистая энергия обусловлена электромагнитными колебаниями и все тела излучают энергию при любой температуре. Носителями лучистой энергии являются фотоны. Количество излучаемой энергии с повышением температуры увеличивается. Тепловое излучение характеризуется длинной волны от 0,4 микрон до 400 мк. Твердые и жидкие тела излучают энергию сплошным спектром различных длин волн: от ультрафиолетовых до инфракрасных. Газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн. Такое излучение называется селективным (избирательным). Падающая на тело энергия частично отражается (QR), частично поглощается (QА) и проникает сквозь тело (Qд)
Q = QR + QA + QД
Сумма коэффициентов отражения, поглощения и рассеивания равна 1
R + А + Д = 1
Для абсолютно черных тел А = 1 Если Д = 1, то тело прозрачное, если R = 1, то тело белое, при А < 1, тело серое
Полное излучение тела определяется по формуле:
Еэф = Е1 + (1 – (А + Д)) Е2,
где: Е1 – собственное излучение
Е2 – лучистая энергия других тел.
Степень черноты определяется по формуле:
ε
где: Е0 – плотность потока
По закону Кирхгофа
Отношение лучеиспускаемой способности к поглащательной для всех тел одинаково и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела. Зависит только от температуры.
Тело, обладающее высокой излучательной способностью, так же хорошо поглощает падающие лучи. Теплообмен излучения между двумя параллельными поверхностями определяется по формуле:
к Дж,
где: Спр – приведенный коэффициент излучения
где: С0 – коэффициент лучеиспускания
С0 = 5,67 Вт/м2 град4
Зависимость между температурой и количеством излучаемой энергии вывел физик Стефан – Больцман.
Количество энергии, излучаемое абсолютно черным теплом, пропорционально четвертой степени его температуры:
, кДж
Е0 = s0 Т4, кДж,
где: s0 – константа излучения
s0 = 5,68 × 10-8 Вт/м2 град4
Для серого тела:
;
;
где: ε – степень черноты тела.
Закон Ламберта
Если количество энергии, излучаемое телом по нормали к поверхности Qn, то в направлении под углом j к нормали количество энергии определится:
Qn Qj Qj = Qn × cos j - закон Ламберта
 |
j
 |
Теплопроводность плоской стенки t2
t1ст t1 l1 t1
II l2 d
l l3 t4 r
d t2cт I II III
d1 d2 d3
IV
Q = q ×F × r
Конвективный теплообмен
 |
tж
tст Q = a × F (tж - tст) t a - коэф – ент теплопередачи
- термическое сопротивление
теплопередачи
a
Теплообмен излучением
Q = QR + QД + QА; 
; 
1. Полное излучение:
Е = Е1 + [1 – (А + Д)] Е2
2. Закон Стефана – Больцмана
3. Закон Кирхгофа
4. Закон Ламберта
 |
j Qj Qj = Qn × cos j
Qn
Теплопередача
где: 
 |  |
tж1
t1ст 
t2ст
t2ж
КАРТОЧКА 1
Определить тепловой поток через стенку, если t1 = 200°C, t2 = 50°С.
Тощина стенки б = 100 мм, а площадь поверхности F = 180 м2, l = 0,55 вт/м С.
Определить плотность теплового потока через однослойную стенку; если температура газов, омывающих стенку 1000°С, температура окружающего воздуха 25°С; a1 = 35 Вт/м2С, a2 = 16 Вт/м2С, l = 0,2 Вт/м С, б = 40 мм.
a1 l a
2
 |  |
 | |
 | |
 | |
| |
 |  |
 |  |
t1 d t2
КАРТОЧКА 2
Стенка печи состоит из 2 – х слоев; б1 = 100 мм; б2 = 50 мм; l1 = 0,8 Вт/м с,
l2 = 45 Вт/м с, температура t1= 200°С, а t2 = 100°С. Определить тепловой поток, передаваемый через стенку.
Определить температуру газов, омывающих стенку, если температура наружной поверхности t2 = 100°С, тепловой поток Вт/м2 С, l = 1,2 Вт/м С, б = 50 мм.
l
 | |
 | |
 | |
t1 t2
|
a1 d
 |
КАРТОЧКА 3
Удельный тепловой поток через однослойную стенку 800 Вт/м2. Температура одной поверхности t1 = 100°С, толщина 50 мм. Определить температуру наружной поверхности, l = 45 Вт/м2 град.
Стенка состоит из 3 – х слоев; t1 = 900°C, t4 = 80°С, l1 = 0,8 Вт/м С,
l2 = 0,2 вт/м С, l3 = 45 Вт/м С, б1 = 100 мм, б2 = 60 мм, б3 = 20 мм.
l1 l2 l3
t1
t4
d1 d2 d3
 |
Тест по термодинамике
1. Закон Фурье__________________
а) 
;
б) 
;
в) 
;
2. Число Рейнольдса _____________
а) 
б)
в) 
3. Слои жидкости перемешиваются при режиме ____________________________
а) ламинарном;
б) турбулентном движении.
4. Формула Ньютона_____________________
а) Q = a × V × (tж + tст) × t;
б) Q = a × F × (tж + tст) × t;
в) Q = a × F × (tж - tст) × t.
5. Эквивалентный диаметр________________________
а) 
б) 
в) 
6. При ламинарном число Рейнольдца_____________________
а) 90.000;
б) 10.000;
в) 2.000.
7. Тело прозрачное когда___________________
а) Д = 1;
б) А = 1;
в) R = 1.
8. Движение жидкости, возникающее под действием внешних сил это ________
а) свободное;
б) обязательное;
в) вынужденное.
9. 
– это __________________________
а) константа изл – я;
б) степень черноты;
в) собственное излучение.
10. Движение жидкости, возникшее в результате разности плотностей _________
а) свободное движение;
б) вынужденное;
в) ламинарное.
11. Закон Стефана – Больцмана ___________________
а) 
б) 
в) 
12. Закон Ламберта _________________
а) Qp = Qn × cos j;
б) Qp = Qn × sin j;
в) Qp = Q0 × cos j;
13. Если R = 1, то тело___________________
а) серое;
б) белое;
в) прозрачное.
14. Если А Ð 1, то тело _________________
а) черное;
б) серое;
в) белое.
Ответы к тесту
1. А 8. В
2. А 9. Б
3. Б 10. А
4. В 11. Б
5. Б 12. А
6. В 13. Б
7. А 14. Б
Тест
1. Процесс распространения теплоты посредствам передачи кинетической энергии от более нагретых к менее нагретых молекулам _________________
а) конвективный теплообмен;
б) теплопроводность;
в) лучистый теплообмен.
2. Формула удельного теплового потока по закону Фурье____________
а) 
б) 
в) 
3. Движение жидкости, возникшее под действием внешних сил ____________
а) вынужденное;
б) свободное;
в) обратимое;
г) необратимое.
4. При больших скоростях отдельные слои жидкости начинают перемешиваться и режим движения становится ______________
а) ламинарным;
б) конвективным;
в) турбулентным.
5. Формула расчета конвективного теплообмена _______________
а) Q = a × F (tж - tст) × r;
б) Q = QR + QA + QД;
в) Q = M × C (t2 – t1);
г) Q = g ×F × r.
6. Единица измерения удельного теплового потока ________________
а) Дж;
б) м3/кг;
в) Вт/м2;
г) м3/моль.
7. Излучение газов называется_______________
а) тепловым;
б) радиоактивным;
в) селективным.
8. Формула плотности потока черного тела по закону Стефана – Больцмана______
а) 
б) 
9. Переход движения жидкости из одного режима в другой определения______
а) по формуле Кирхгофа;
б) по формуле Гей – Люссака;
в) числом Рейнодса;
г) по формуле Фурье.
10. l - это______________
а) коэффициент теплопроводности;
б) коэффициент теплопередачи;
в) коэффициент рассеивания.
11. Носителем лучистой энергии является______________
а) протоны;
б) нейтроны;
в) фотоны.
12. Доля лучистого потока, поглощаемая телом характеризуется
коэффициентом ____________
а) отражение;
б) поглощения;
в) рассеивания.
13. 
– это ____________
а) степень черноты;
б) плотность излучения серного тела;
в) плотность потока черного тела.
Ответы к тесту
1. Б 7.
2. В 8. А
3. А 9. В
4. В 10. А
5. А 11. В
6. В 12. Б
13. А
Технический диктант
1. Конвекция – это _______________
2. Ламинарный режим _________________
3. Турбулентный режим __________________
4. Режим движения определяется числом____________________
5. Что такое коэффициент теплопередачи?
6. Теплопроводность – это __________________
7. Закон Фурье _____________________
8. Количество тепла при теплопередаче вычисляется ______________________
9. Формула вычисления температуры второго слоя, если известна температура первого слоя стенки (при теплопроводности) __________________
Вопросы к кроссворду (1)
По вертикали:
1. Имя какого ученого носит число, характеризующее переход движения жидкости из одного режима в другой.
2. Ламинарный и турбулентный… движения жидкости.
3. Имя какого ученого носит закон, по которому можно выразить удельный тепловой поток.
4. Устройство, под действием которого может возникнуть вынужденное движение жидкости.
5. Имя авс. Физика, который теоретически обосновал закон излучения, который был открыт Й. Стефаном в 1879 г и этот закон сейчас носит название этих двух ученых.
6. Сплошной или дискретный…
7. Какой коэффициент будет = 1, если тело белое.
8. 
, где d - …
9. Какой коэффициент будет = 1, если тело прозрачное.
10. Энергетическая характеристика процесса теплообмена.
11. 
, где d - …
12. Чье имя носит формула, по которой производится расчет конвективного теплообмена.
По горизонтали:
8. При обмене энергией между телами важную роль играет понятие…
13. Каким путем осуществляется перенос теплоты в газах и жидкостях.
14. Какой коэффициент будет = 1 для абсолютно черных тел.
15. Различают свободное и вынужденное … жидкости.
16. Имя какого ученого носит один из основных законов теплового излучения 
.
17. Передача тепловой энергии в виде лучистой энергии.
18. Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых к менее нагретым телам.
19. Q = g × S × t S - …
20. Один из видов теплопередачи.
21. Носитель лучистой энергии.
22. Имя ученого сформулировавшего в 1760 г. закон:
Если количество энергии, излучаемое телом по нормали к поверхности обозначить Qn, то в направлении под углом j к нормали количество энергии определяется по формуле Qj = Qn × cos j.
23. Что излучают все тела при любой температуре.
Ответы на кроссворд (1)
по теме: «Теплообмен»
По вертикали:
1. Рейнольдс 2. Режим 3. Фурье 4. Вентилятор 5. Больцман 6. Спектр 7. Отражение 8. Толщина 9. Рассеивание 10. Теплота 11. Диаметр 12. Ньютон
По горизонтали:
9. Температура 13. Конвекция 14. Поглощение 15. Движение 16. Кирхгоф
17. Излучение 18. Теплообмен 19. Площадь 20. Теплопроводность 21. Фотон
22. Ламберт 23. Энергия.
Вопросы к кроссворду (3)
на тему: «Виды теплообмена»
По вертикали:
1. Как называется тепловой поток, проходящий через единицу поверхности тела в единицу времени.
5. По какому закону определяется удельный тепловой поток.
7. Теплообмен, при котором происходит перенос теплоты при перемещении более
нагретых веществ с менее нагретыми.
9. Движение жидкости, возникающие в результате разности плотностей неравномерно нагретых жидкостей.
11. Режим, при котором Re < 2000.
14. Движение жидкости, возникающее под действием внешней силы.
15. Режим движения, при котором Re > 10000.
19. Исходя из формулы Q = QR + Q0 + QA, R – это коэффициент …
20. Путем чего осуществляется перенос теплоты в жидкостях и газах.
По вертикали:
1. При теплообмене излучением, что излучает и поглощает энергию лишь в определенных интервалах длин волн. (мн. ч.).
2. Теплообмен, при котором происходит передача тепловой энергии в виде лучистой.
4. Процесс распространения тепла посредствам передачи кинетической энергии от
более нагретых молекул к менее нагретым.
6. Поток, при котором температура во времени не меняется.
8. Какой закон выражения формулой Qj = Qn × cos j.
10. Излучение, при котором газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн.
12. Каким цветом будет тело, если коэффициент R = 1?
13. Что является носителем лучистой энергии.
17. Цвет тела, если ¶ = 1.
16. Какие тела излучают энергию сплошным спектром?
18. Каким будет тело если коэффициент А < 1.
Ответы к кроссворду (3)
на тему: «Виды теплообмена»
По горизонтали:
3. Удельный 5. Фурье 7. Конвективный 9. Свободное 11. Ламинарный
14. Вынужденное 15. Турбулентный 19. Отражение 20. Конвекция
По вертикали:
1. Газы. 2. Лучистый 4. Теплопроводность 6. Стационарный 8. Ламберто
10. Селективное 12. Белое 13. Фотон 17. Прозрачное 18. Серое 16. Твердые
Вопросы к кроссворду (2)
на тему: «Теория теплопередач»
По горизонтали:
3. Режим движения жидкости, при котором Re > 10000.
6. А – коэффициент …
7. «Степень черноты равна коэффициенту его поглощения»: закон…
9.Если А < 1, то тело …
10. Движение жидкости, возникающее под действием внешней силы.
12. Энергия, поглощенная телом трансформируется в …
14. Д – коэффициент …
16. Носитель лучистой энергии.
17. Количество теплоты проходящей через единицу поверхности тела в единицу
времени – удельный тепловой …
18. Если R =1, то тело …
По вертикали:
1. Переход движения жидкости из одного режима в другой определяется числом …
2. Газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн
– такое излучение называют …
3. Передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.
4. Режим движения жидкости, когда Re < 2000.
5. Режим движения определяется …
8. R – коэффициент …
11. В газах и жидкостях перенос теплоты осуществляется путем …
13. Движение жидкости возникающее в результате разности плотностей
неравномерно нагретых жидкостей.
14. Тепловой поток образуется в результате температурной …
15. Передача тепловой энергии в виде лучистой.
16. Удельный поток можно выразить можно выразить по закону…
Вопросы к кроссворду (2)
По горизонтали:
1. Один из способов передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому?
3. Поток, если t во времени не изменяется?
7. Режим, где движение жидкости становится неупорядоченным?
10. R – коэффициент?
13. Как называется поверхность рабочего тела, все точки которого имеют
одинаковую температуру?
По вертикали:
2. Название, теплообмена, где передача тепловой энергии в виде лучистой?
4. Движение жидкости?
5. Движение жидкости, возн. под действием вн. cилы?
6. Каким, числом определяется переход жидкости из одного режима в другой?
8. Режим, где Re < 2000?
9. Излучение, когда газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных
интервалах?
11. Какому числу будет = сумма R + А + Д?
12. Цвет тела, если d = 1?
14. Перенос теплоты при перемещении и перемешивании более нагретых веществ с
менее нагретыми?
15. Как еще называется селективный режим?
Ответы к кроссворду (2)
По горизонтали:
1. Теплопроводность 3. Стационарный 7. Турбулентный 10. Отражения
13. Изотермическая
По вертикали:
2. Лучистый 4. Свободное 5. Вынужденное 6. Рейнольдс 8. Ламинарный
9. селективный 11. Единица 12. Прозрачное 14. Конвективный 15. Избирательный
ОТВЕТ К РЕБУСУ
1. Твердые тела излучают энергию сплошным спектором.
