Излучательные свойства пламен

Спектр излучения пламени в общем случае состоит из линий, полос и сплошного фона. Линейчатый спектр обусловлен излучением или поглощением света свободными атомами вследствие переходов электронов в них, причем каждая линия соответствует переходу из одного состояния в другое. Полосатые спектры в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях соответствуют электронным переходам в молекулах. Эти переходы определяют место системы полос в целом.

Электронные переходы в молекулах сопровождаются одновременным изменением колебательной и вращательной энергий, вследствие чего каждый электронный переход в молекуле дает ряд полос, состоящих из большого числа близкорасположенных линий, обусловленных изменением колебательной и вращательной энергий молекулы. Изменения колебательной энергии молекулы определяют место отдельных полос в системе. Изменения вращательной энергии молекулы определяют тонкую структуру отдельных полос. Полосатые спектры в близкой инфракрасной (ИК) области обусловлены только изменением колебательной и вращательной энергий молекул, а спектры в далекой ИК-области вызваны изменениями только вращательной энергии.

Процессы, приводящие к появлению линий и полос в спектрах излучения пламен, описываются уравнением, вытекающим из закона сохранения энергии:

(1.36)

где hv – квант света частоты, излучаемый при однофотонном переходе некоторой системы (атома, молекулы, иона) из возбужденного состояния А* в основное состояние А; ЕA – энергия в основном состояния.

Если взаимодействие между молекулами становится достаточно сильным, как в случае сжатых газов, жидкости или твердого тела, то линии излучения и поглощения расширяются и в итоге сливаются в сплошной спектр. В некоторых случаях появление в спектре участков непрерывного излучения может быть вызвано такими процессами, как процесс рекомбинации ионов, ассоциации атомов или радикалов^[1].

По видам спектров пламена могут быть разделены на три типа:

• пламена с преобладающим сплошным спектром;

• пламена с преобладающим линейчатым и полосатым спектром;

• пламена со смешанным линейчатым, полосатым и сплошным спектром.

Пламена с преобладающим сплошным спектром, как правило, имеют белый цвет либо слабо выраженные цветовые оттенки. Поскольку энергия таких пламен излучается в широких участках спектра, то с их помощью удается получать источники, излучающие (по сравнению с другими пламенами) наибольшее количество энергии на единицу массы сжигаемого топлива. Пламена этого типа используют, например, в осветительных и фотоосветительных средствах, а также в качестве источников излучения в ИК-области спектра. Пламена второго типа могут быть бесцветными (т.е. практически неизлучающими в видимой области спектра) и с цветовыми оттенками. Цветные пламена используются в сигнальных и трассирующих средствах. Пламена второго типа, как правило, излучают значительно меньшее количество энергии на единицу массы сжигаемого топлива, чем пламена первого и третьего типов.

Пламена третьего типа имеют обычно ярко выраженные цветовые оттенки и используются в осветительных и трассирующих средствах, а также в качестве источников излучения в ИК-области спектра. По энергии, излучаемой пламенем, пламена этого типа занимают промежуточное положение между пламенами первого и второго типа.

Следует отметить, что разделение пламен на три типа возможно для конкретного диапазона длин волн излучаемого спектра, так как одно и то же пламя может быть отнесено, например, к первому типу в одном спектральном диапазоне и к иному типу в другом спектральном диапазоне. Это связано с тем, что соотношение между линейчатым, полосатым и сплошным участками в спектре может быть разное в различных областях спектра.

Диапазон теплового излучения пламен простирается от 0,1 до 100 мкм. Человеческий глаз воспринимает только очень малую часть спектра. Видимый свет охватывает колебания с длинами волн от 0,396 до 0,760 мкм. Количество выделяемой при горении световой энергии весьма мало. Так, "световой" КПД абсолютно черного тела при температуре 2000°С составляет всего 0,7%.

В развитии современной теории излучения большую роль сыграло изучение спектра излучения так называемого абсолютно черного тела (черного тела). Когда электромагнитное излучение падает на какую-нибудь поверхность, то в общем случае часть его отражается, часть поглощается, а часть проходит сквозь материал. В отличие от остальных тел, абсолютно черное тело, по определению, является таким телом, которое поглощает полностью все излучение, падающее на его поверхность. Таким свойством обладает полая сфера с отверстием, вычерненная изнутри. Все излучение, попадающее через это отверстие внутрь сферы, после многократных отражений от внутренних стенок полностью поглощается в ней.

Можно показать, что абсолютно черное тело является не только идеальным поглотителем, но и идеальным излучателем электромагнитных колебаний. Из всех тел, нагретых до данной температуры, абсолютно черное тело будет излучать максимальное количество энергии, которое зависит от температуры и не зависит от материала тела. Свойства излучения черного тела изложены в работе Г. Юлина (G. Joulin) и П. Кларина (Р. Clarin) (1976).

Излучательная способность и поглощательная способностьабсолютно черного тела равны единице:

(1.37)

По формуле Планка излучение абсолютно черного тела описывается выражением

(1.38)

где– поток энергии (в Вт/м2), излучаемой в полусферу единицей поверхности абсолютно черного тела с температурой Т внутри спектрального интервала Δλ, середина которого характеризуется длиной волны λ; с1 и с2 – константы излучения:

(1.39)

Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела, вычисленное с помощью формулы Планка при заданной температуре, показано на рис. 1.16, кривая 1.

Характер смещения максимума кривой распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры выражается законом смещения Вина (который непосредственно может быть выведен из формулы Планка): длина волны максимума обратно пропорциональна абсолютной температуре:

(1.40)

Максимум интенсивности излучения смещается при повышении температуры в сторону более коротких длин волн. Поэтому с ростом температуры тела светятся обычно сначала темно-красным светом, который постепенно переходит в ярко-красный, желтый и, наконец, белый (когда тело излучает колебания всех длин волн видимого света).

Следствием формулы Планка является также закон Стефана – Больцмана: общее количество лучистой энергии, излучаемой во всем диапазоне длин волн теплового излучения, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры:

(1.41)

где σ = (5,6687 ± 0,0010)• 10-8 Вт/(м2• К4).

Рис. 1.16. График распределения энергии излучения по спектру:

1 – абсолютно черное тело при 3000 К; 2 – осветительный пиротехнический состав; 3 – кривая видимости человеческого глаза

Используя формулу Планка и закон смещения Вина, легко показать, что

(1.42)

где А = 1,3095 Вт/(м3• К5), т.е. количество энергии, излучаемой абсолютно черным телом, вблизи максимума кривой распределения пропорционально пятой степени абсолютной температуры.

При малых значениях λΤ экспоненциальная функция в формуле Планка настолько сильно возрастает, что по сравнению с пей единицей можно пренебречь. Поэтому при λΤ = 2000 мкм-град с погрешностью менее 0,1% можно использовать формулу Вина

(1.43)

Формулой Вина можно пользоваться до 4000 К для длин волн спектра, не превышающих 0,5 мкм, и до 3000 К для λ = 0,67 мкм. Допущение большей, чем 0,1%, погрешности позволяет расширить верхний температурный предел применимости формулы.