Термодинаміка і теплові процеси зварювання

Променистий потік, який виходить з одиниці поверхні в усіх напрямах напівпростору, називається густиною випромінення  ,  

Променистий потік, який виходить із всієї поверхні випромінюючого тіла  ,

Відношення густини потоку, який випромінюється в безкінечно малому інтервалі довжин хвиль до величини цього інтервалу, називається інтенсивністю випромінення,  

Всі тіла за будь-яких температур випромінюють енергію. При потраплянні променистої енергії   на інше тіло, частина її   поглинається, частина   – відбивається, а частина   проходить через тіло. Поглинута енергія тілом знову перетворюється в теплову енергію. Відбита енергія поглинається оточуючими тілами. Сукупні процеси взаємного випускання, поглинання, відбивання і пропускання енергії тілами називається променистим теплообміном.

Рівняння теплового балансу для променистого теплообміну можна записати у вигляді

де   – коефіцієнт поглинання,  - коефіцієнт відбивання,  - коефіцієнт пропускання.

Тіло називається абсолютно чорним, якщо воно поглинає всю подану на нього енергію ( ,  ). Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Найбільшу поглинаючу здатність має нафтова сажа, для неї  = 0, 90 ÷ 0, 96.

Якщо вся енергія, яка падає на тіло, відбивається ( ,  ), то таке тіло називається дзеркальним (якщо відбивання відбувається за законами геометричної оптики), або абсолютно білим (якщо відбивання дифузійне).

Тіла, які пропускають всю падаючу на них енергію, називаються абсолютно прозорими. Прикладом може служити чисте повітря.

Тіла, поглинаюча здатність яких незалежить від довжини хвилі, називаються сірими.

 

 

Абсолютно чорне тіло випромінює промені всіх довжин хвиль за будь-яких температур, відмінних від абсолютного нуля. Абсолютно чорні тіла мають найбільшу інтенсивність випромінення порівняно із іншими реальними тілами, які перебувають за однакової з ним температури. Залежність інтенсивності випромінення   від довжини хвилі   і температури описується законом Планка:

де  ,   – сталі Планка.

Розподілення спектральної інтенсивності випромінення за довжиною хвиль і температурою показана на рис. 2. 6.

Зв’язок між довжиною хвилі  , якій відповідає максимальна інтенсивність випромінення і температурою, характеризується законом Віна

де  - постійна Віна.

Цей закон можна сформулювати так: максимум інтенсивності випромінення абсолютно чорного тіла при збільшенні температури зміщується в сторону коротких хвиль.

Залежність спектральної густини інтегрального напівсферичного випромінення абсолютно чорного тіла від температури описується законом Стефана-Больцмана

де  - коефіцієнт випромінення абсолютно чорного тіла  ,  - абсолютна температура поверхні тіла.

Закон Стефана-Больцмана формулюється так: густина випромінення абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому степеню його абсолютної температури.

 

 

Сірі тіла поглинають одну і ту ж долю випромінення у всьому інтервалі довжин хвиль. Для сірих тіл поглинаюча здатність   і не залежить від температури. Сіре тіло за аналогєю з абсолютно чорним випромінює всіх довжин хвилі. Проте інтенсивність випромінення сірого тіла   становить деяку однакову долю для всіх довжини хвиль і температур від інтенсивності випромінення абсолютно чорного тіла  

де  - міра чорноти тіла, яка залежить від фізичних властивостей тіла.

Густина інтегрального випромінення сірого тіла знаходять за формулою

Із рівняння (2. 51) випливає, що до сірих тіл можна використати закон Стефана-Больцмана, якщо замість константи випромінення абсолютно чорного тіла   підставити деяку величину, яка становить певну частку від  . Величину   називають коефіцієнтом випромінення сірого тіла.

Зв’язок між здатністю сірого тіла випромінювати і поглинати енергію встановлює закон Кірхгофа, який формулюється так: відношення густини власного випромінення сірого тіла до його коефіцієнта поглинання не залежить від природи тіла. Для всіх тіл з однаковою температурою воно однакове і дорівнює густині випромінення абсолютно чорного тіла за даної температури.

Математично цей закон можна записати в такому вигляді:

При цьому слід відмітити, що коефіцієнт поглинання сірого тіла дорівнює мірі його чорноти за даної температури.

Енергія випромінення, яка випромінюється тілом у певних напрямах визначається згідно з законом Ламберта, який формулюється так: кількість енергії, яка випромінюється абсолютно чорним тілом в різних напрямах, пропорціональна косинусу кута   між заданим напрямом і нормаллю до поверхні тіла.

 

 

Всі тіла безперервно випромінюють і поглинають променисту енергію. При променистому теплообміні між двома твердими тілами, кількість теплоти, яку віддає і приймає тіло, визначається різницею між кількістю променистої енергії, яку випромінює і поглинає тіло. Інтенсивність теплообміну випроміненням між тілами залежить від теплофізичних властивостей цих тіл, їх температур, віддалі між ними і їх взаємного розміщення.

Розрахунок теплообміну випромінюванням між двома тілами, якщо одне тіло міститься в середині іншого (рис. 2. 7), здійснюють за формулою

де  ,  - коефіцієнти випромінення тіл з поверхнею   і   відповідно.

Приведений коефіцієнт випромінення системи тіл, яка складається із двох паралельних пластин з рівними поверхнями ( ), знаходять за формулою

 

 

Для захисту від перегрівання теплотехнічного обладнання необхідно зменшити променистий теплообмін. У цьому випадку використовують екрани, які виготовляють із тонких металевих листів.

Співставимо теплообмін випроміненням між паралельними стінками без екрана і з екраном (рис. 2. 8).

Якщо екрана немає, то

Від екрану до другої стінки передається теплота

При рівних коефіцієнтах випромінення стінок і екрана приведені коефіцієнти випромінення всіх систем будуть одинакові

Підставивши значення   в рівняння (2. 59) отримуємо

Співставлення формули (2. 62) з формулою (2. 57), в якій   дає можливість побачити, що використання одного екрану з таким самим коефіцієнтом випромінення, який є у стінок зменшує тепловий потік у 2 рази. Аналогічним чином можна побачити, що при   екранах тепловий потік зменшується в   раз. Таким чином, при рівних коефіцієнтах випромінення

Якщо коефіцієнти випромінення екрана і стінок не рівні ( ), то при одному екрані

Із формули (2. 64) випливає, що зменшення   підвищує ефективність екрана.

 

 

Гази мають здатність випромінювати і поглинати променисту енергію. Проте теплове випромінення газів суттєво відрізняються від випромінення твердих тіл. Одно- і двоатомні гази, які складаються із однорідних атомів, не випромінюють і не поглинають променистої енергії. Значну випромінювальну і поглинальну здатність мають три- і багатоатомні гази (вуглекислий газ, водяна пара, аміак). На відміну від твердих тіл і рідин гази поглинають і випромінюють енергію лише в певному інтервалі довжин хвиль, тобто мають лінійчастий спектр випромінювання.

Ще однією особливістю випромінення і поглинання газів є те, що це випромінення має об’ємний характер. У процесі випромінення і поглинання беруть участь всі мікрочастинки газу, які містяться в даному об’ємі.

Кількість енергії, яка поглинається або випромінюється, залежить від температури газу, товщини газового шару і концентрації молекул. Концентрація молекул визначається парціальним тиском газу  , а товщина газового шару – середньою довжиною   в межах газового шару.

Таким чином, поглинальна здатність   і спектральна інтенсивність   випромінення газу визначається як функція його температури   і добутку  :

Експерименти показують, що випромінююча здатність газів пропорціональна  -му степеню абсолютної температури. Для    = 3, 5, для водяної пари  = 3. У наближених розрахунках приймають, що випромінення газів, як і твердих тіл, пропорційне їх абсолютній температурі в четвертій степені.

 

 

1. Теплотехніка. / [Драганов Б. Х., Долінський А. А., Міщенко А. В. та ін. ] / – К. : фірма “Інкос”, 2005. – 400 с.
2. Буляндра О. Ф. Технічна термодинаміка. / Буляндра О. Ф. / – К: Техніка, 2006. – с. 318.
3. Исаченко В. П. Теплопередача. / Исаченко В. П. / – М. : Энергоиздат, 1981. – 416 с.
4. Петров Г. Л. Теория сварочных процессов. / Петров Г. Л., Тумарев А. С. / – М: Высшая школа – 1977. – 389 с.
5. Багрянский К. В. Теория сварочных процессов. / Багрянский К. В. / – К: Высшая школа – 1976. – 424 с.
6. Борнацкий И. И. Основы физической химии. / Борнацкий И. И. / – Киев, 1968, с. 338.