Гази також мають спроможність випромінювати та вбирати ( поглинати) променисту енергію, але для різних газів ця спроможність різна.
Основні особливості випромінювання газів.
3.11.1. Випромінюють ( і поглинають), як правило трьохатомні гази ( особливо Н2О, СО2 і SO2), двохатомні гази діатермічні ( випромінюють енергію за межами теплового спектра коливань хвиль).
3.11.2. У газах випромінювання і поглинання енергії відбувається в об’ємі, на відміну від твердих тіл, у яких ці процеси діють у поверхневому шарі. Розглянемо вбирання шаром газу монохроматичного випромінювання (рис. 3.12). На відстані х від поверхні газу виділимо елементарний шар товщиною dx. Густина потоку випромінювання, що входить у об’єм газу становить - початкова густина. На відстані х ця густина зменшується в результаті поглинання енергії і стає рівною
Рис. 3.12. Залежність монохроматичного випромінювання від відстані
Припустимо, що зменшення енергії пропорційне відстані, тобто
де - коефіцієнт ослаблення променя на даній довжині хвилі коливань .
Після інтегрування маємо
Потенціюючи цей вираз, маємо
( 3.41 )
Формула ( 3.41) називається законом Бугера. Згідно з цим законом зменшення густини випромінювання відбувається згідно з експоненційним законом.
Визначимо коефіцієнт пропускання шару газу товщиною х. Він представляє собою відношення енергії, що виходить із шару до енергії, що входить в нього, тобто
.
Відповідно, коефіцієнт поглинання ( вбирання)
( 3.42 )
Згідно із законом Кірхгофа міра чорноти дорівнює коефіцієнту поглинання, тобто
. ( 3.43 )
Таким чином, міра чорноти газу збільшується зі збільшенням товщини шару по експоненціальному закону.
На рис.3.12 показано характер залежності густини монохроматичного
Рисунок 3.13. Характер випромінювання абсолютно чорного тіла і газу
випроміння для
– абсолютно чорного тіла – суцільна крива;
– селективного (вибіркового) газів на окремих полосах спектра коливань , які мають товщини шару х1, х2, х3. Остання товщина , тобто згідно із формулою (3.43) Маємо .
Зі збільшенням товщини шару газу інтенсивність випромінювання збільшується ( бо збільшення товщини шару дає збільшення міри чорноти та коефіцієнта поглинання).
Взагалі встановлено, що міра чорноти випромінюючого газу визначається як
, ( 3.44 )
рS – сила ослаблення променя ( Н/м);
р– парціальний тиск , Паскаль;
S – ефективна товщина випромінюючого шару
V – об,єм випромінюючого газу;
Fc- поверхня обмежуючих стінок.
Для газів, що звичайно зустрічаються значення величини S збільшують на 10%, тобто
( 3.45 )
Гази випромінюють та вбирають енергію тільки в деяких інтервалах довжин хвиль , так званих полосах, розташованих у різних частинах спектра. Для променів інших хвиль коливань гази діатермічні тобто прозорі для променів. Ця властивість випромінювання та поглинання газів називається вибірковістю або селективністю. Наприклад, для СО2 та Н2О мають практичне значення такі полоси в мікронах:
СО2,
1-а полоса
2-а полоса
3-я полоса
Н2О
1-а полоса
2-а полоса
3-а полоса
Енергія випромінювання газів може бути розрахована по спектру коливань. У такому випадку енергія дорівнює ( рис.3.14)
де - інтенсивність монохроматичного випромінювання (закон Планка).
Загальна випромінювальна спроможність газу
В основу інженерних розрахунків випромінювання газів покладено закон четвертого степеня ( закон Стефана-Больцмана). При цьому газ вважається сірим тілом з якоюсь фіктивною мірою чорноти , яка дорівнює
( 3.46 )
Для найбільш важливих у техніці газів (СО2, Н2О, SO2) маються графіки
( рис.3.15), по яким можна визначити .
Рисунок 3.14. До визначення випромінювальної спроможності газів
У цих графіках міра чорноти приведена як функція добутку парціального тиску на довжину ходу променя ( pl) і температури. Залежність випромінювання газу від ( pl) визвана тією обставиною, що при проходженні променів через газ їх енергія вбирання зменшується ( чим більше тиск чи товщина шару більша кількість молекул, що зустрічають промені).
Рисунок 3.15. Міра чорноти газів
Розглядаючи полоси випромінювання газів СО2 та Н2О, можна зробити висновок, що вони подекуди співпадають. Тому, якщо ці азі випромінюють сумісно, то треба зробити поправку . Тоді
. ( 3.47 )
ГЛАВА 4
НЕСТАЦІОНАРНІ ТЕМПЕРАТУРНІ ПОЛЯ
