§ 9. Излучение

ТЕПЛООБМЕН В БЕЗВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ: СОЛНЦЕ И ЗЕМЛЯ

Главным источником тепла и жизни на нашей планете является Солнце. Однако между Землёй и Солнцем простираются сотни миллионов километров космического пространства, представляющего собой практически идеальный глубокий вакуум. Ни теплопроводность, ни конвекция не способны передать энергию через эту бездну: для теплопроводности необходимы соударения микрочастиц вещества, а для конвекции — направленные потоки жидкости или газа.

Передача тепла от Солнца к Земле осуществляется третьим фундаментальным способом — излучением (или лучистым теплообменом).

В физике установлено, что тепловое излучение имеет электромагнитную природу. Любое тело, температура которого превышает абсолютный нуль (-273,15 °C), непрерывно испускает электромагнитные волны. В основном это невидимые человеческому глазу инфракрасные (тепловые) лучи. Для распространения электромагнитных волн не требуется промежуточная материальная среда: они с легкостью пронизывают полный вакуум, двигаясь со скоростью света (около 300 000 км/с).

• Излучение — это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся от одного тела к другому посредством электромагнитных волн, способный осуществляться в абсолютном вакууме.

При испускании электромагнитных волн внутренняя энергия нагретого тела уменьшается (оно остывает), а при поглощении лучей окружающими телами их внутренняя энергия возрастает (они нагреваются).

ОПЫТ С ТЕПЛОПРИЁМНИКОМ И МАНОМЕТРОМ

Чтобы наглядно исследовать законы лучистого теплообмена в лаборатории, используют специальный прибор — теплоприёмник. Он представляет собой плоскую полую металлическую круглую коробку, соединённую тонкой эластичной резиновой трубкой с жидкостным U-образным манометром. Если воздух внутри коробки нагревается, он расширяется и выталкивает жидкость в манометре, вызывая перепад её уровней. Чем сильнее нагрет воздух в теплоприёмнике, тем больше разность уровней жидкости в коленах манометра.

В классическом демонстрационном эксперименте к теплоприёмнику сбоку на некотором расстоянии подносят массивный кусок металла (или шар), раскалённый в пламени горелки. Уровень жидкости в манометре немедленно начинает смещаться, регистрируя быстрый прогрев воздуха внутри коробки.

• Почему это именно излучение? Теплопроводность воздуха между нагретым металлом и коробкой ничтожно мала. Конвекционные восходящие струи горячего воздуха от раскалённого металла устремляются строго вертикально вверх к потолку, в то время как теплоприёмник расположен сбоку на одном горизонтальном уровне с источником. Единственный путь, по которому энергия достигает прибора, — это поперечные инфракрасные тепловые лучи, испускаемые горячим металлом во все стороны.

ЗАВИСИМОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ И ИСПУСКАНИЯ ОТ ЦВЕТА И СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Способность тел поглощать и излучать энергию кардинально зависит от оптических свойств их поверхности — цвета, блеска и шероховатости.

• Опыт на поглощение лучистой энергии: Одна плоская сторона теплоприёмника выкрашена в матовый чёрный цвет, а противоположная — гладкая, светлая и отполирована до зеркального блеска. Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому шару сначала чёрной стороной, манометр зафиксирует резкое падение уровня жидкости. Но если повернуть коробку к шару зеркальной стороной на точно таком же расстоянии, изменение уровней окажется едва заметным.
  • Вывод: Тёмные и шероховатые поверхности поглощают лучистую энергию значительно сильнее, чем светлые, белые и блестящие зеркальные поверхности, которые большую часть падающих лучей просто отражают.

• Опыт на испускание лучистой энергии: В физике действует строгий закон взаимности: тела, которые лучше поглощают тепловое излучение, интенсивнее его и испускают. Если взять металлический сосуд, одна половина которого покрыта слоем черной сажи, а другая начищена до зеркального блеска, и налить в него кипяток, то термометр, поднесённый к чёрной стенке, покажет куда более мощный поток тепла, чем у блестящей стенки. Чёрный сосуд при прочих равных условиях остынет значительно быстрее зеркального.

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТЕХНИКЕ, БЫТУ И ПРИРОДЕ

Закономерности излучения лежат в основе важнейших инженерных изобретений и природных механизмов:

• Устройство бытового термоса (сосуда Дьюара): Термос предназначен для длительного сохранения постоянной температуры горячих напитков или охлаждённых продуктов. Его конструкция виртуозно блокирует все три вида теплопередачи:

1. Стеклянная колба с двойными стенками: из зазора между внешней и внутренней стенками полностью откачан воздух. Созданный глубокий вакуум ликвидирует теплопроводность и конвекцию;
2. Зеркальное серебристое напыление: внутренние поверхности стенок колбы покрывают блестящим слоем металла. Зеркало работает как отражатель инфракрасных лучей, направляя тепловое излучение обратно в жидкость и блокируя лучистый теплообмен;
3. Герметичная пробка: закрывает горловину термоса, предотвращая конвекцию с воздухом комнаты.

• Парниковый эффект: Оконное стекло парников и теплиц прозрачно для коротковолнового видимого солнечного света, который беспрепятственно проникает внутрь и нагревает тёмную почву. Однако нагретая земля сама становится источником длинноволнового инфракрасного излучения, для которого обычное стекло является практически непрозрачной преградой. Парник работает как энергетическая ловушка. В глобальном масштабе аналогичную роль выполняют парниковые газы в атмосфере Земли (водяной пар, углекислый газ, метан), удерживающие тепло у поверхности планеты.
• Спецодежда и окраска аппаратов: Летом люди предпочитают носить светлую одежду, отражающую солнечные лучи, а зимой — тёмную. Оболочки высотных метеорологических зондов и скафандры космонавтов покрывают белой или зеркальной серебристой краской, чтобы предотвратить катастрофический перегрев оборудования под прямыми лучами Солнца в открытом космосе. Напротив, теплопоглощающие панели солнечных коллекторов на крышах домов делают глубокого матово-чёрного цвета.
• Городские «острова тепла»: В центрах современных мегаполисов температура воздуха часто на 1–10 °C выше, чем в окружающих сельских пригородах. Это связано с тем, что асфальтовые дороги, бетонные крыши и стены зданий обладают высокой поглощающей способностью и днём вбирают гигантское количество солнечного излучения. Ночью эти материалы медленно отдают накопленную энергию, а плотная высотная застройка («городские каньоны») препятствует свободному конвекционному охлаждению.