Гост 26629-85. здания и сооружения. метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций

Термодинамика равновесного теплового излучения

Основная статья: Термодинамика фотонного газа

В термодинамике равновесное тепловое излучение рассматривают как фотонный газ, состоящий из электронейтральных безмассовых частиц, заполняющий полость объёмом V в абсолютно чёрном теле (), с давлением P и температурой T, совпадающей с температурой стенок полости. Для фотонного газа справедливы следующие термодинамические соотношения:

Для большей компактности в формулах использована радиационная постоянная a вместо постоянной Стефана — Больцмана σ:

где c — скорость света в вакууме.

Фотонный газ представляет собой систему с одной .

Давление фотонного газа не зависит от объёма, поэтому для фотонного газа изотермический процесс (T = const) является одновременно и изобарным процессом (P = const). С повышением температуры давление фотонного газа растёт очень быстро, достигая 1 атмосферы уже при T = 1,4⋅105 K, а при температуре 107 K (температура центра Солнца) давление достигает значения 2,5⋅107 атм (2,5⋅1012Па). Величина теплоёмкости излучения становится сравнимой с величиной теплоёмкости одноатомного идеального газа лишь при температурах порядка миллионов градусов.

Представление о температуре излучения было введено Б. Б. Голицыным (1893).

Примечания

1. Абсолютно чёрное тело // Большой энциклопедический политехнический словарь. — 2004.
2. М. А. Ельяшевич. Абсолютно чёрное тело // Физическая энциклопедия. В 5 томах / Главный редактор А. М. Прохоров.. — М.: Советская энциклопедия., 1988.
3. ↑ Абсолютно чёрное тело // Физический энциклопедический словарь / Главный редактор А. М. Прохоров.. — М.: Советская энциклопедия., 1983.
4. Кочаров Г. Е. // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 594. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
5. . fn.bmstu.ru. Дата обращения 28 сентября 2015.
6. , с. 164—167.
7. , с. 465—467.
8. .
9. , с. 157, 177, 349.
10. , с. 59.

Нормы для человека

За длительные годы исследования радиации были определены безопасные и максимальные дозы. К сожалению, не только опытным путём, но и на практике. Такие события, как Хиросима и Чернобыль не прошли даром для планеты. Годы наблюдений за излучением показали, что превышение допустимой дозы радиации оставляет отпечаток на всех последующих поколениях.

Физические величины в которых измеряется радиация

Радиационный фон

С момента зарождения земли прошло 4,5 миллиарда лет, за это время радиоактивность, которая во время её формирования была просто гигантской, сошла почти на нет. Существующий естественный фон, который в нашей стране составляет 4–15 мкР в час, складывается из нескольких составляющих. Это:

• Природный, до 83%. Остаточная радиация от природных источников — газов, минералов.
• Космическое излучение — 14%. Мощнейшим источником излучения является солнце. При уменьшении магнитного поля земли общий фон увеличится, что может привести к увеличению раковых заболеваний и мутаций. Второй фактор, снижающий излучение – это атмосфера. Летающие на самолётах и альпинисты получают повышенную дозу.
• Техногенное – от 3 до 13%. С первого атомного взрыва прошло 75 лет. За время испытаний атомного оружия в атмосферу было выброшено огромное количество радиоактивных веществ. Кроме этого, техногенные аварии — Чернобыль, Фукусима. Добыча и транспортировка таких веществ, а также работающие АЭС. Всё вносит вклад в общий фон.

Доза радиации которую получает человек в течении года

Норма радиационного фона является значение до 0,20 мкЗв/час или 20 мкР/час. Допустимый фон считается уровень до 60 мкР/час или 0,6 мЗв. Для каждой страны он устанавливается свой, например, в Бразилии безопасный радиоактивный фон составляет 100 мкР в час.

Безопасная доза

Безопасной дозой радиации для человека является уровень, при котором можно жить и работать без последствий для организма. Этот уровень определён до 30 мкР/ч (0,3 мкЗв/час).

Допустимая доза

Допустимая доза радиации несколько больше безопасной и показывает уровень, при котором на организм оказывается воздействие радиации, но без негативных последствий для здоровья.

Допустимый уровень в год предполагает до 1 мЗв. Если это значение поделить на часы, то получим 0,57 мкЗв/ч.

Эта доза применяется и для расчёта среднего значения полученного излучения за несколько лет. Например, человек за 5 лет подряд должен получить 5 мЗв, но работая на вредном производстве, получил годовую в 3 мЗв. Следующие 4 года он не должен получить более 1 мЗв, чтобы выровнять значения и уменьшить риск заработать лучевую болезнь.

При полётах на высоте выше 10 км уровень излучения будет до 3 мкЗв/ч, что превышает норму в 10 раз. Получается, что за 4 часа можно получить максимальную, суммарную дозу до 12 мкЗв.

Излучение которое можно полечить в полёте

Смертельный уровень облучения

Опасной дозой можно принять уровень в 0,75 Зв. При таком значении происходит изменение в крови человека и хоть не бывает смертельных исходов сразу, но в будущем вероятность раковых заболеваний довольно высока.

Как уже было замечено выше органы (печень, лёгкие, желудок, кожа) неравномерно воспринимают излучение. Лучевая болезнь начинается с дозы в 1–2 Зиверт и для некоторых это уже смертельная доза. Другие с лёгкостью перенесут заражение и выздоровеют.

Если исходить из статистики, то смертельной будет доза выше 7 Зиверт или 700 рентген.

Измерение ионизирующих излучений

С открытием радия было обнаружено, что излучение радиоактивных веществ влияет на живые организмы и вызывает биологические эффекты, сходные с действием рентгеновского облучения. Появилось такое понятие, как доза ионизирующего излучения – величина, которая позволяет оценивать воздействие радиационного облучения на организмы и вещества. В зависимости от особенностей облучения, выделяют эквивалентную, поглощенную и экспозиционную дозы:

1. Экспозиционная доза – показатель ионизации воздуха, возникающей под действием гамма- и рентгеновских лучей, определяется количеством образовавшихся ионов радионуклидов в 1 куб. см. воздуха при нормальных условиях. В системе СИ она измеряется в кулонах (Кл), но существует и внесистемная единица – рентген (Р). Один рентген – большая величина, поэтому удобнее на практике использовать ее миллионную (мкР) или тысячную (мР) доли. Между единицами экспозиционной дозы установлено следующее соотношения: 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
2. Поглощенная доза – энергия альфа-, бета- и гамма-излучения, поглощенная и накопленная единицей массы вещества. В международной системе СИ для нее введена следующая единица измерения – грей (Гр), хотя до сих пор в отдельных областях, например в радиационной гигиене и в радиобиологии широко используется внесистемная единица – рад (Р). Между этими величинами имеется такое соответствие: 1 Рад = 10-2 Гр.
3. Эквивалентная доза – поглощенная доза ионизирующего излучения, учитывающая степень его воздействия на живую ткань. Поскольку одинаковые дозы альфа-, бета- или гамма-излучения оказывают разный биологический ущерб, введен так называемый КК –коэффициент качества. Для получения эквивалентной дозы необходимо поглощенную дозу, полученную от определенного вида излучения, умножить на этот коэффициент. Измеряется эквивалентная доза в берах (Бэр) и зивертах (Зв), обе эти единицы взаимозаменяемы, переводятся из одной в другую таким образом: 1 Зв = 100 Бэр (Рем).

В системе СИ используется зиверт – эквивалентная доза конкретного ионизирующего излучения, поглощенная одним килограммом биологической ткани. Для пересчета греев в зиверты следует учесть коэффициент относительной биологической активности (ОБЭ), который равен:

• для альфа-частиц – 10-20;
• для гамма- и бета-излучения – 1;
• для протонов – 5-10;
• для нейтронов со скоростью до 10 кэВ – 3-5;
• для нейтронов со скоростью больше 10 кэВ: 10-20;
• для тяжелых ядер – 20.

Бэр (биологический эквивалент рентгена) или рем (в английском языке rem – Roentgen Equivalent of Man) – внесистемная единица эквивалентной дозы. Поскольку альфа-излучение наносит больший ущерб, то для получения результата в ремах, необходимо измеренную радиоактивность в радах умножить на коэффициент, равный двадцати. При определении гамма- или бета-излучения перевод величин не требуется, поскольку ремы и рады равны друг другу.

Литература

• Алмалиев А. Н., Копытин И. В., Корнев А. С., Чуракова Т. А. Термодинамика и статистическая физика: Статистика идеального газа. — Воронеж: Ворон. гос. ун-т, 2004. — 79 с.
• Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб. — М. — Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3.
• Гуггенгейм. Современная термодинамика, изложенная по методу У. Гиббса / Пер. под ред. проф. С. А. Щукарева. — Л. — М.: Госхимиздат, 1941. — 188 с.
• Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.
• Сычёв В. В. Сложные термодинамические системы. — 5-е изд., перераб. и доп.. — М: Издательский дом МЭИ, 2009. — 296 с. — ISBN 978-5-383-00418-0.

Излучение через экран[править]

Для двух параллельных поверхностей (рис. 7.25) количество тепла, передаваемое первой поверхностью на вторую (Т₁ > Т₂) равно:

Q_{ЛУЧ 12} = С_ПР [(Т₁/100)4 – (Т₂/100)4 ] F₁ кДж/ч (ккал/ч)

где: С_ПР =20,5/[1/ε₁1+1/ε₂-1], кДж/м2⋅ч⋅К4

(С_ПР =4,9/[1/ε₁1+1/ε₂-1], ккал/м2⋅ч⋅град4).

Если между поверхностями поместить экран из тонкого листового металла, то при условии теплового равновесия и при ε₁ = ε₂ = ε_Э, а также F₁ = F₂ = F_Э , то количество тепла, которое передает первая поверхность на вторую при наличии экрана равно:

Q_{ЛУЧ 12С ЭКР} = (С_ПР/2)[(Т₁/100)4 – (Т₂/100)4 ] F₁ кДж/ч (ккал/час)

               C1

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image007.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image006.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image005.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image003.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image002.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image004.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image003.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image002.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image008.gif

                C2

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image011.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image007.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image005.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image002.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image010.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image009.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image004.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image002.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image010.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image009.gif

Файл:C:\Users\Samsung\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip image001.gif

При наличии одного экрана теплообмен между двумя поверхностями снижается в два раза. Если между поверхностями поместить n экранов при равенстве степеней черноты ε₁ = ε_Э = ε₂ , то теплопередача излучением уменьшится в (n+1) раз, т.е.

Q_{12 Cn ЭКР} =(1/(n+1)) Q₁₂.

Если изменить степень черноты экрана, то

Q_{12 Cn ЭКР} =(1/(n+1))*С_ПР1Э/С_ПР12⋅ Q₁₂,

где: С_П1Э – приведенный коэффициент излучения при наличии экрана

С_1Э = С_Э = С_Э2;

С₁₂ – приведенный коэффициент излучения без экрана.

Применение одного никелированного экрана (не окисленного, ε = 0,11), прикрывающего отверстие в обмуровке котла, уменьшает потери тепла в окружающую среду излучением через это отверстие в 18 раз.

Степень — чернота — тело

В такой форме закон Кирхгофа показывает, что при термодинамическом равновесии поглощательная способность и степень черноты тела численно равны между собой. Так как для реальных тел поглощательная способность всегда меньше единицы, то из соотношения ( л) следует, что излучательная способность этих тел всегда меньше излучатель-ной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Следовательно, при любой температуре излучение абсолютно черного тела является максимальным.
 

В такой форме закон Кирхгофа показывает, что при термодинамическом равновесии поглощательная способность и степень черноты тела численно равны. Так как для реальных тел поглощательная способность всегда меньше единицы, то из соотношения ( л) следует, что собственное излучение этих тел всегда меньше собственного излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Следовательно, при любой температуре излучение абсолютно черного тела является максимальным.
 

Для получения максимального поглощения солнечного излучения поверхность должна иметь большое значение AS, но при этом степень черноты тела должна быть минимальной, чтобы уменьшить потери теплоты из-за излучения поверхности.
 

Используя условие теплового равновесия двух тел, которые обмениваются энергией через тепловое излучение, докажите, что степень черноты тела равна коэффициенту поглощения излучения этими телами.
 

Это вторая форма записи закона Кирхгофа, в соответствии с которой при термодинамическом равновесии поглощательная способность и степень черноты тела численно равны между собой.
 

Отношение е С / С0, которое изменяется в пределах 0 — 1, называется относительной излучателъной способностью, или степенью черноты тела.
 

Отношение е С / С0, которое изменяется в пределах от 0 до 1, называют относительной излучательной способностью, или степенью черноты тела.
 

На практике обычно поглощательную способность тел часто определяют при температурах, отличных от температуры абсолютно черного источника излучения, в силу чего численное значение степени черноты тела может заметно отличаться от величины его коэффициента поглощения.
 

Идеально белым телом называется такое тело, у которого коэффициент отражения г равен единице, поэтому г характеризует степень белизны, а величина k 1 — г характеризует степень черноты тела.
 

Пирометры ФЭП-4 с нижним пределом измерения 800 С и выше имеют эффективную длину волны 0 65 мк показания их совпадают с показаниями оптического пирометра с исчезающей нитью независимо от степени черноты визируемого тела.
 

Тя — яркостная ( условная) температура тела, измеренная пирометром, К; Я, — длина волны, мкм; С2 — константа уравнения Вина; е — степень черноты тела для данной длины волны.
 

Тя — яркостная ( условная) температура тела, измеренная пирометром, К; Я — длина волны, мкм; С2 — константа уравнения Вина; е, — степень черноты тела для данной длины волны.
 

Средний объемно-поверхностный диаметр частиц ( диаметр Заутера) 35 Стентона критерий 41 Степень перемешивания 95 ел. Степень черноты тела 49 Стефана-Больцмана закон 49 Стефана поток 45 ел.
 

Основные понятия и свойства теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Энергетическая светимость тела RT{\displaystyle R_{T}} — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости rω,T{\displaystyle r_{\omega ,T}} — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

Поглощающая способность тела — aω,T{\displaystyle a_{\omega ,T}} — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот dω{\displaystyle d\omega } вблизи ω{\displaystyle \omega }

Отражающая способность тела

Основная статья: Альбедо

Отражающая способность тела — bω,T{\displaystyle b_{\omega ,T}} — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот dω{\displaystyle d\omega } вблизи ω{\displaystyle \omega }

Абсолютно чёрное тело

Основная статья: Абсолютно чёрное тело

Абсолютно чёрное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

Серое тело

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

Объёмная плотность энергии излучения

Объёмная плотность энергии излучения — UT{\displaystyle U_{T}} — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии — Uω,T{\displaystyle U_{\omega ,T}} — функция частоты и температуры, связанная с объёмной плотностью излучения формулой:

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

Классификация пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

• Оптические. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путём сравнения его цвета с цветом эталонной накаливаемой электрическим током металлической нити в специальных измерительных лампах накаливания.
• Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой спектральной полосе излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.
• Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют измерить температуру объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных участках спектра.

Температурный диапазон

• Низкотемпературные. Обладают способностью измерять температуры объектов с низкими относительно комнатных температурами, например, температуры холодильных камер холодильников.
• Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют существенную ошибку в сторону верхнего предела измерения прибора.

Исполнение

• Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима требуемая точность измерений, с мобильностью, например для измерения температуры участков трубопроводов в труднодоступных местах. Обычно такие переносные приборы снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.
• Стационарные. Предназначены для более точного измерения температуры объектов. Используются, в основном, на крупных промышленных предприятиях для непрерывного контроля технологического процесса при производстве расплавленных металлов и пластиков.

Визуализация величин

• Текстово-цифровой метод. Измеряемая температура выражается в градусах на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.
• Графический метод. Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.

Вне зависимости от классификации, пирометры могут снабжаться дополнительными источниками питания, а также средствами передачи информации и связи с компьютером или специализированными устройствами (обычно через шину RS-232).

Почему пирометр врет — причины

Прибор этот безусловно хороший, но давайте подробнее рассмотрим вопрос, как же им правильно пользоваться. Ведь простое наведение лазерного луча и считывание показаний на электронном табло, не всегда гарантирует и дает корректные результаты.

При замерах существует множество погрешностей, о которых большинство пользователей даже не догадывается. Измерение температур при помощи оптического прибора, отличается от измерения температуры приборами контактными.

Вот основные ошибки, которые допускают новички:

не учитывается материал, из которого сделан предмет измерения

замеры производятся через стекло или в пыльном, влажном помещении

температура самого пирометра значительно отличается от температуры окружающей среды

измерения происходят слишком далеко от объекта, без учета конуса расширения луча

экономные «специалисты» пытаются работать прибором наподобие тепловизора на больших площадях, не учитывая при этом частоту обновления показаний девайса

Рассмотрим все эти моменты более подробно.

Таблица 3. Степень черноты диэлектриков

В таблице дана степень черноты поверхности следующих диэлектриков: асбест: бумага, картон, бетон, рубероид, вода, гипс, дерево: дуб, бук, карбид кремния, кирпич белый огнеупорный, шамотный, шероховатый красный, краска: масляная, всех цветов, лаковая, тускло черная, лед гладкий, шероховатые кристаллы, мрамор белый, окись алюминия на инконеле, окись магния огнеупорная, рокайд на молибдене, сажа от свечи, слюда, фарфор глазурированный, шифер, эбонит.ПРИМЕЧАНИЕ: Две температуры и две степени черноты, указанные для некоторых материалов, означают, что первая степень черноты относится к первой температуре, а вторая — ко второй, причем допускается линейная интерполяция. Степени черноты, приведенные в таблице, получены путем измерения яркости излучения в направлении нормали к поверхности тела.