Особенности излучения и поглощения газов

Газы обладают способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Для разных газов эта способность различна. Излучение и поглощение обычных одно- и двухатомных газов, в частности азота N₂ , кислорода O₂, водорода H₂, гелия He, в видимой и ближней инфракрасной области столь незначительны, что в инженерных расчетах эти газы можно рассматривать как абсолютно прозрачные (диатермичные) среды. Значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию обладают многоатомные газы, в частности диоксид углерода CO₂, водяной пар H₂O, сернистый ангидрид SO₂ , аммиак NH₃ и др. Двухатомный газ - оксид углерода (CO) - также имеет заметный уровень излучения. Для теплотехнических расчетов наибольший интерес представляют пары воды и диоксид углерода. Эти газы входят в состав продуктов сгорания при сжигании различных видов топлива.

Излучение и поглощение газов носят объемный характер. Поэтому такие факторы, как размеры и форма излучающего слоя, распределение в нем температуры, существенны при описании излучения газов. Спектры излучения и поглощения газов в отличие от многих твердых тел носят селективный характер. То есть, в отдельных участках спектра - поглощение и излучением газа может быть сильным, а в других - слабым. Отмеченные особенности в газах существенно осложняют расчеты лучистого теплообмена.

Для наглядного представления процесса переноса энергии в объеме излучающего газа удобно рассматривать излучение как поток частиц - фотонов, движущихся по прямолинейным траекториям со скоростью света c и обладающих энергией hn. Часть фотонов “захватывается” (поглощается) молекулами газа, что приводит к повышению энергии газа, т.е. его нагреванию. При этом молекулы газа поглощают лишь те фотоны, частоты которых отвечают полосам поглощения в спектре газа. Фотоны других частот (энергий) пролетают газовый объем без взаимодействия с веществом. Одновременно с процессом поглощения энергии происходит обратный процесс - излучение энергии объемом газа. Вследствие хаотического теплового движения газовых молекул, их вращения, колебаний атомов отдельные многоатомные молекулы газа получают избыток энергии по сравнению со средним его уровнем. Избыток энергии может затем самопроизвольно излучаться в форме “рождающихся” фотонов в окружающее пространство. Этот механизм определяет собственное излучение газового объема. В связи с тем, что в любом макроскопически малом объеме газа его состояние обычно весьма близко к термодинамически равновесному состоянию, каждый элементарный объем газа излучает фотоны по всем направлениям пространства с примерно одинаковой интенсивностью. Иначе говоря, пространственное распределение собственного излучения элемента газового объема имеет обычно характер, близкий к изотропному.

В продуктах сгорания различных видов топлив могут содержаться также твердые или жидкие частицы, размеры которых обычно колеблются от долей до сотен микрометров. При значительной концентрации этих частиц, они могут оказывать большое влияние на лучистый теплообмен не только поглощая и испуская кванты электромагнитного излучения, но и рассеивая их по всевозможным направлениям.