Излучение

Следующим рассматриваемым способом передачи тепловой энергии является излучение - поток квантов электромагнитного излучения, которое испускается всеми физическими телами с температурой выше абсолютного нуля (0 К). Процесс передачи тепла от одного тела к другому происходит путем электромагнитных колебаний через промежуточную прозрачную для теплового излучения среду. В этом процессе часть внутренней энергии излучающего тела превращается в лучистую энергию, распространяющуюся через электромагнитное поле и вновь трансформирующуюся в энергию теплового движения структурных частиц при падении на второе (облучаемое) тело. Излучение - это процесс, который имеет место и в вакууме (например, таким способом земная поверхность получает солнечную энергию).

Основной закон излучения - закон Стефана-Больцмана:

где Е₀ - лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (АЧТ), Вт/м²; σ₀ = 5,67×10^-8 Вт/(м²⋅К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана; Т - температура поверхности абсолютно черного тела, К.

Тело, поглощающее всю падающую на него лучистую энергию, называю абсолютно черным телом (АЧТ). Абсолютно черных тел в природе не существует. Все реальные тела считают серыми телами. Серое тело – это тело, у которого спектр излучения подобен спектру излучения абсолютно черного тела.

Спектром излучения называют распределение лучистой энергии по дине волны E_λ = f(λ), где E_λ, Вт/м³ спектральная лучеиспускательная способность тела.

A = Q_погл / Q_пад - поглощательная способность тела, равная доле падающего излучения, поглощенного телом;

R = Q_отр / Q_пад - отражательная способность тела, равная доле падающего излучения, отраженного телом;

D = Q_проп / Q_пад - пропускательная способность тела, равная доле падающего излучения, проходящего через тело.

Плотность потока собственного излучения или лучеиспускательная способность тела:

или

Эффективный тепловой поток равен: Q_эф = Q_соб + Q_отр.

В активных процедурах теплового контроля мощность потока нагрева может значительно превышать мощность встречного потока теплоотдачи за счет конвекции и излучения (например, при контроле металлических поверхностей). В этом случае теплообмен становится адиабатическим и соответствующие решения теории теплопроводности имеют наиболее простой вид. Неадиабатический теплообмен включает все три механизма, описанные выше. Наиболее трудно поддается оценке конвективная компонента теплообмена со средой, поэтому решение обратных задач тепловизионной диагностики затруднительно при интерпретации данных, полученных путем съемки при трудноконтролируемых условиях внешней среды.

Многие дефекты, являющиеся объектами теплового контроля, могут рассматриваться как тонкие газовые промежутки. Тепловой поток в таких дефектах, возникающий за счет чистой теплопроводности из-за различных температур на поверхностях дефектов T₁ и T₂, описывается выражением

Q = -λ (δT / δx),

где Q - тепловой поток, λ - коэффициент теплопроводности.

В теории теплообмена известно, что конвекцией можно пренебречь, если произведение критериев Грасгофа и Прандтля удовлетворяет условию:

Gr ∙ Pr < 1000

Проверка данного условия для разницы температур T₁ - T₂ < 100 °C приводит к следующему условию для максимальной толщины дефекта d: d < 6 мм, что, как правило, выполняется в тепловом контроле.

Радиационный поток в тонких дефектах описывается приближенным выражением:

Q_rd ≈ 4 ∙ σ ∙ T3∙(T₁-T₂). T = (T₁ + T₂) / 2

Отношение тепловых потоков, обусловленных конвекцией и излучением:

Q_cv / Q_rd = K / 4 ∙ d ∙ σ ∙ T³

Для воздушных дефектов (λ = 0.07 Втм^-1 K^-1; T = 330 K (57 °C) ), Qcv / Qrd > 17 для d < 0.5 мм. Таким образом, можно считать, что теплопередача в тонких газовых дефектах осуществляется путем чистой теплопроводности.

Также следует отметить, что в первом приближении (при малых разностях температуры ΔT между двумя средами, обменивающимися тепловой энергией), для всех трех механизмов теплопередачи плотность теплового потока пропорциональна разности температур (Q ~ ΔT).