ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ СВОЙСТВ НЕЧЕРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

3.1. ВВЕДЕНИЕ

В гл. 2 подробно рассмотрены радиационные свойства абсолютно черного тела. Эти свойства служат эталоном для сравнения радиационных свойств реальных тел, которые зависят от многих факторов. К этим факторам относятся структура, состояние поверхности, температура тела, длина волны излучения, угол, под которым излучение либо испускается, либо поглощается поверхностью, спектральное распределение излучения, падающего на Новерхность. Для описания радиационных свойств реальных тел используются различные характеристики излучения, поглощения и отран^-ения, как неосредненные, так и осредненные, которые сопоставляются с аналогичными характеристиками абсолютно черного тела.

В этой главе приводятся строгие и подробные определения радиационных свойств непрозрачных материалов. Так как определений очень много, читатель не должен рассчитывать! получить в данной главе такую же исчерпывающую информацию, как в гл. 2 для абсолютно черного тела. Здесь кратко рассматриваются разные способы определения одной и той же величины, чтобы дать представление об имеющейся информации, и в этом отношении глава носит справочный характер. Для удобства использования материала он расчленен на разделы, которые в достаточной степени независимы друг от друга.

Потребность в строгом изучении определений радиационных свойств материалов связана с необходимостью правильного истолкования имеющихся данных для использования их в расчетах теплообмена. Вследствие ограниченного количества опубликованных данных требуются измерения направленных и спектральных характеристик излучения. Из-за трудностей, связанных с проведением таких подробных исследований, большинство табличных характеристик является осредненными величинами. Осредненные радиационные характеристики получаются путем измерений для всех направлений, всех длин волн, а часто и для тех и других вместе. С помощью определений, которые будут даны в этой главе, можно получить четкое представление о видах осреднений. Эти определения позволяют также установить соотношения между различными осредненными свойствами в виде равенств или соотношений взаимности, которые дадут возможность исследователю

или инженеру полнее использовать имеющуюся информацию о радиационных свойствах. Так, например, данные по поглощательной способности тела можно получить с помощью экспериментальных данных по степени черноты излучения, если при этом помнить об определенных ограничениях. Эти ограничения часто неправильно понимаются, в результате чего происходит путаница или возникают ошибки при использовании экспериментальных данных.

В главе дается подробный анализ вывода определений радиационных свойств тел с указанием соответствующих ограничений. Для пояснения приводимых определений на фиг. 3.1 дается схематическое представление видов направленных свойств. Для обеспечения понимания физического смысла рассматриваемой величины при введении каждого нового определения будут делаться ссылки на эту фигуру. Кроме того, все свойства перечислены в табл. 3.1,

Таблица 3.1

Свойства поверхности

Фит. 3.1. К определению направленных и полусферических свойств палу-

чения.

в - направленная степень черноты £ (3, 6, Г^); б - полусферическая степень черноты е (Г^); в - направленная поглощательная способность а' О, 0, Т^).

Фиг. 3.1. К определению направленных и полусферических свойств излучения.

8 - полусферическая поглощательная способность а (Г^); 9 - двунаправленная отражательная способность р (3, е^, 3, е, Т^); е - направленно-полусферическая отражательная способность р' (Р, е, Т^).

Фиг. 3.1. К определению направленных и полусферических свойств излучения.

ж - полусферически-направленная отражательная способность р' (Р^ 9 Гд); з - полусферическая.отрашательная способность р (Гд).

где указаны также их обозначения и номер определяющего уравнения. Обозначения описаны в разд. 3.1.1.

Чтобы показать, как на практике по.1ьзоваться выведенными здесь соотношениями, в гл. 5 приводятся экспериментальные значения радиационных свойств реальных материалов.

3.1.1. Система обозначений

Поскольку при определении радиационных свойств используется большое количество независимых переменных, необходима краткая, но точная система обозначений. Используемая здесь система обозначений является развитием системы, введенной в предыдущей главе. Чтобы было ясно, от каких переменных зависит рассматриваемая величина, используется функциональная зависимость. Например, обозначение {X, Р, 9, Г^) указывает, что % зависит от четырех указанных параметров. Штрих означает, что величина имеет направление, а индекс Х - что величина спектральная. Величины, зависящие от двух направлений (четырех углов), будут иметь двойной штрих. Полусферические величины не имеют штриха, а интегральные величины - индекса X. Величина, являющаяся направленной по своей природе, т. е. относимая к единице телесного угла, будет всегда обозначаться со штрихом, если даже в частном случае ее численное значение не зависит от направления. На независимость от направления будет указывать отсутствие в функциональной зависимости (Р, 0). Аналогично к спектральной характеристике будет всегда добавляться индекс X даже в тех частных случаях, когда ее численное значение не изменяется с длиной волны. В последнем случае под знаком функции будет отсутствовать X.

Для математически согласованной записи уравнений баланса энергии вводится дополнительное обозначение для потока энергии Q. Обозначение (PQx, как и ранее, означает направленную, спектральную величину. Дифференциал второго порядка означает, что энергия определяется с помощью дифференциалов первого порядка для длины волны и для телесного угла. Так, dQ и dQx являются дифференциальными величинами соответственно для телесного угла и длины волны. Если к тому же берется дифференциал площади, то порядок производной соответственно повышается.

Такая система обозначений может показаться на первый взгляд громоздкой. Однако мы убедимся в ее целесообразности, когда будем иметь дело с конкретными случаями, например с серыми и диффузными телами. Кроме того, краткое обозначение х будет встречаться в тексте чаще, чем полное название направленная спектральная степень черноты. Табл. 3.1 поможет уяснить систему принятых обозначений.

Данная глава состоит из трех основных разделов, посвященных разным свойствам тел: степени черноты, поглощательной способности и отражательной способности. В начале каждого из этих разделов рассматриваются наиболее общие неосредненные свойства. Например, в первом разделе рассматривается направленная спектральная степень черноты. Затем путем интегрирования полу-