Способы передачи тепла

Напомним способы передачи тепла между телами.

Во-первых, передача тепла может происходить только от более нагретого тела менее нагретому. Ни какой холод, ни куда передаваться не может - передается только тепло. Это второй закон термодинамики, который не нуждается в пояснениях и доказательствах.

Во-вторых, передача тепла между предметами происходит 3 способами:

1. в среде газа или жидкости (например, воздуха) посредством конвекции (движения) нагретого газа или жидкости от одного тела к другому. Этот способ возможен только  при наличии среды с промежуточным теплоносителем;

2. при непосредственном соприкосновении тел, т.е. теплопереносом;

3. с помощью инфракрасного (теплового) излучения может осуществляется в любой среде. Этот способ передачи тепла нам наиболее интересен, т.к. именно с помощью него осуществляется передача энергии (тепла) в инфракрасных саунах;

В-третьих, инфракрасное излучение так же, как и любое другое электромагнитное излучение, ослабевает при распространении в поглощающей среде и описывается законом Бугера - Ламберта - Бера. В Интернете широко распространено ошибочное мнение, что инфракрасное излучение не поглощается воздухом, однако, это не так.

В частности, для инфракрасного излучения азот и кислород, которые входят в состав воздуха, не поглощают его, а только ослабляют в результате рассеивания. Однако пары воды, углекислый газ, озон и другие газы, которые входят в состав воздуха, селективно (выборочно) поглощают его. Особенно сильно поглощают ИК излучение пары воды (влажность) и углекислый газ. Кроме того, пыль, содержащаяся в воздухе, рассеивает инфракрасное излучение. Принято считать, что интенсивность ИК излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника тепла.

В-четвертых, интенсивность инфракрасного излучения зависит от температуры тела - чем выше температура тела, тем мощнее излучение. С этим фактом мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни и объяснять его не нужно. Но стоит отметить, что с ростом температуры верхняя граница спектра излучения сдвигается в область видимого света. Не длина волны сдвигается (как полагают некоторые люди), а спектр излучения расширяется, путем сдвига верхней границы спектра в область видимого света! При этом в спектре присутствуют все частоты излучения без каких-либо исключений и пробелов, т.к. спектр излучения твердых тел непрерывен.

Это означает, что в спектре излучения более нагретого тела присутствуют все частоты излучения менее нагретого тела. Так, например, для тела с температурой 36°С пик излучения приходится на частоту 9.6 мкм, а для тела с температурой 200°С пик излучения приходится на 2.5 мкм, но при этом частота 9.6 мкм также присутствует в спектре излучения, с той лишь разницей, что мощность излучения в несколько раз выше.

Модель нагрева человека в инфракрасной сауне

На рисунке изображены способы передачи тепла человеку. Здесь мы можем видеть, как энергия, которую вырабатывают нагреватели, проходит через среду передачи (воздух) и нагревает тело человека. Эта простая модель позволит правильно понять, какие процессы протекают во время выработки тепла и передачи ее от источника до тела человека. Рассмотрим более подробно каждый из элементов.

Тепловое излучение и источники теплового излучения

Как известно, все тела, нагретые выше точки абсолютного нуля (-273°С), являются источниками электромагнитного излучения, которое называется тепловым излучением. С увеличением температуры, мощность излучения резко возрастает, а спектр излучения (сплошной) сдвигается в область коротких волн.  При температуре  около 3000°К (37°С) тела испускают инфракрасное излучение в спектре волн 3-50 мкм, а при температуре более 7000°К появляется видимый глазу свет.

В теоретической физике для упрощения понимания процессов пользуются абстрактной моделью, которая называется  Абсолютно Черное Тело (АЧТ). Абсолютно черных тел в природе не существует, тем не менее, эта модель позволяет, с определенной долей допущения, описывать процессы реальных тел. Все известные законы в теории теплового излучения (Планка, Стефана-Больцмана, Вина, Кирхгофа, Ламберта) справедливы лишь для абсолютно черного тела. Излучение реальных тел отличается от излучения АЧТ по мощности, спектру и угловому распределению, и зависят от ряда конкретных характеристик тела: состояния поверхности, микроструктуры, состава, температуры и т.д. Реальные тела обладают большим разнообразием радиационных свойств с большой  зависимостью от многих параметров и условий. Зачастую они не имеют аналитического описания, поэтому, в описании реальных тел часто используют приближения к АЧТ для определенных условий и состояния тел.

Все существующие вещества поглощают и излучают хуже АЧТ, следовательно, поток излучения, генерируемый ими (и общий, и на любой из волн), меньше потока от абсолютно черного тела.

По спектральной излучательной способности все реальные тела делятся на серые тела и селективно излучающие. У серых тел  спектральный состав потока полностью соответствует АЧТ, но интенсивность излучения  пропорционально меньше. Эта пропорциональность эмпирически характеризуется коэффициентом черноты, показывающим отношение "серого излучения" к излучению абсолютно черного тела и зависящим от свойства тела. Коэффициент черноты не является чисто физической константой, потому что зависит также от состояния поверхности излучателя и температуры.

У селективных излучателей интенсивность излучения распределена по спектру крайне неравномерно. Наряду с участками, где они совершенно не излучают, есть диапазоны, где интенсивность излучения достигает величины, характерной для черного тела. Взаимное расположение пиков излучения определяется не только материалом, но и специфическими закономерностями его состояния.

Металлы при температурах, на которых максимум их излучения находится на длине волны больше 4 мкм, близки по свойствам к серым телам. Но общий поток излучения у них пропорционален пятой степени температуры, а длина волны максимального излучения несколько сдвинута в сторону коротких волн.

Закон Кирхгофа определяет основное требование к источникам инфракрасных лучей, подбираемых для практического применения: материал, из которого они изготовлены, должен обладать максимальным коэффициентом черноты (поглощательной способностью). Нагретые керамика, шамот и асбест имеют степень черноты более 0.9 , сталь и сплавы - около 0.6, полированный алюминий - менее 0.1,  железо листовое оцинкованное, блестящее - 0.23.

Выводы 1. Наиболее качественные источники для инфракрасных саун изготавливаются из керамических нагревательных элементов с отражателями из алюминия.
2. Металлические нагревательные элементы имеют низкую излучательную способность, поэтому, чтобы получить необходимый поток ИК энергии, их нужно разогревать до большей температуры, чем керамические. При этом максимум излучения сдвигается в область коротких волн и видимого излучения, что приводит к большой тепловой нагрузке на кожу человека.

Передача теплового излучения

В рассматриваемой модели "источник - среда передачи - человек" важно понять простую истину: необходимо рассматривать не только что производит источник инфракрасного излучения, но гораздо важнее, какое излучение получает человек.

Излучение, которое производит источник тепла и излучение, которое получает человек,  не идентичны. Как правило, в курсах теоретической физики рассматривается только излучение источников, их характеристики и свойства. Но при этом не рассматривается действие инфракрасного излучения на объекты.

Часто можно услышать, что воздух прозрачен для инфракрасного излучения, т.е. не оказывает ни какого влияния на него. Однако это совсем не так! На самом деле инфракрасное излучение, проходя от источника излучения к объекту сквозь воздух, изменяется как по интенсивности, так и по спектру. Прозрачность воздуха не означает, что ИК излучение проходит через воздух без затухания! 

Азот и кислород воздуха не поглощают ИК излучение, но ослабляют его  в результате рассеивания, которое значительно меньше, чем для видимого света. Пары воды, углекислый газ, озон и другие примеси, имеющиеся в воздухе, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают ИК излучение пары воды - полосы поглощения расположены почти во всей инфракрасной области спектра.

В средней инфракрасной области спектра сильно поглощает инфракрасное излучение углекислый газ. В качестве примера такого поглощения можно привести селективное поглощение солнечного излучения. Солнце можно представить как абсолютное черное тело, которое имеет спектр излучения от 0.3 до 3 мкм, с пиком излучения в области 0.5 мкм. Проходя через земную атмосферу спектр излучения изменяется, и на уровне моря картина уже выглядит совершенно по-другому - спектр излучения стал похож на селективный спектр.

Интенсивность инфракрасного излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника излучения. В справедливости этого суждения можно убедится на таком примере: всем известен факт -  как быстро снижается тепло от костра. На расстоянии около метра от костра чувствуется его жар, но стоит отойти на расстояние несколько метров, как тепло костра уже не может согреть. И таких примеров можно привести тысячи.

На этом графики приведена кривая изменения интенсивности излучения керамического излучателя в зависимости от расстояния измерения. Измерения проводились неселективным радиометром в спектре 2 - 25 мкм. Подробнее см. "Наши исследования"

Как видно из приведенного графика, интенсивность излучения падает обратно пропорционально расстоянию от источника до приемника.