Теория вопроса

МЕСТО ИНФРАКРАСНЫХ ВОЛН В НАШЕЙ ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ

Известная нам еще по курсу физики средней школы шкала электромагнитных волн (см. рис.1) показывает, что инфракрасные волны (ИК излучение, инфракрасные лучи) занимают спектральную область между красным концом видимого света (с длиною волны 7,6х10-5см) и коротковолновым радиоизлучением (1.5х10-1 см)
 

Рис.1 Шкала электромагнитных волн
 

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ИК ИЗЛУЧЕНИЯ

ИК излучение было открыто в 1800 г. английским учёным В. Гершелем, который обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра), температура термометра повышается (см. рис.2)Далее было доказано, что ИК излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 г. советский физик А. А.Глаголева-Аркадьева получила радиоволны ~0,1х10-1см т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к ИК излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Рис.2 Термометр, помещенный за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами расположенными сбоку.

 

СВОЙСТВА ИНФРАКРАСНЫХ ВОЛН

Спектр ИК излучения, так же как и спектр видимого, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника ИК лучей. Т.е. зависит от степени возбуждения конкретного атома или молекулы (иначе от их кинетической энергии или температуры). Каждый из известных нам химических элементов при определенных температурных условиях имеет свою собственную неповторимую спектральную картину (характеристику). Так, например, возбуждённые атомы испускают строго линейчатые (из-за относительного состояния покоя связки ядро - электроны) инфракрасные спектры, а возбуждённые молекулы - полосатые в виде на первый взгляд беспорядочно хаотичных линий. Это обусловлено механизмом наложения собственных линейных спектров составляющих атомов и взаимодействием этих атомов между собой. С повышением температуры меняется и спектральная характеристика тела. Нагретые твёрдые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. При низких температурах (ниже 300°С) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области. Этот температурный диапазон имеет большое практическое значение для изучения и использования важнейшего свойства инфракрасных волн - поглощение и дальнейший нагрев разнообразных тел.

ПОГЛОЩЕНИЕ И НАГРЕВ ТЕЛ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Поглощение телом ИК излучения зависит от его спектральной характеристики. Если частотный диапазон инфракрасной волны соответствует диапазону ИК спектра тела, то она обладает свойством глубинного проникновения, что в свою очередь вызывает процесс перехода ее энергии в тепловую. Это объясняется резонансным эффектом, если предположить, что связка атом-атом (т.е. молекула) является контуром, а волна - внешним источником колебаний аналогичной частоты. Таким образом, исследуя и зная ИК спектр произвольно взятого материала, можно подобрать частоту испускания ИК луча такой, что глубина его проникновения будет максимальной, добиваясь этим наилучшего глубинного теплового прогрева данного тела.

Это замечательное свойство и было использовано специалистами лаборатории корпорация «АВИСТЕН», которая существует на базе Самарского опытно-экспериментального завода. Эмпирическим путем, на основе данных, полученных в результате экспериментов с разнообразными полимерными материалами (подавляющее большинство мягких кровель есть производные от полимеров) была установлена оптимальная для них спектральная характеристика, соответствующая инфракрасному частотному диапазону в 40х10-5см. Источником ИК лучей является лампа на основе спирали из специальной нихромовой проволоки. Во время нагрева лампы ее спираль, испуская ИК волны указанной частоты, имеет температуру всего лишь в 680°С. При этой температуре конвективно-кинетический теплообмен между лампой и нагреваемой поверхностью, расстояние между которыми 20-30 см , незначительный, т.к. ИК лучи практически не нагревают воздушную прослойку между ними. Поэтому повышение температуры полимера (причем глубинно равномерное и на уровне 200°С) происходит преимущественно от воздействия ИК излучения, в результате чего он превращается в монотонно однородную массу с сохранением всех составляющих его фракций. Для сравнения рабочая температура вольфрамовой спирали обычной лампы достигает 4000°С, поэтому конвективно-кинетическая составляющая теплообмена играет решающую роль, сводя на нет нужный инфракрасный теплообмен и являясь причиной пережигания или деструкции материала. Таким образом, инфракрасный прогрев является бережным, целенаправленным глубинным прогреванием вещества без какого-либо его повреждения.

ВЛИЯНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЗДОРОВЬЕ

Любое теплое тело (и мы сами) является источником инфракрасного излучения. Науке ничего неизвестно о каком-либо негативном воздействии ИК волн на живые организмы, т.к. фактически идет речь об обычном тепле, являющемся одной из основ жизни биологических видов. Проникновение ИК излучения широко используется в медицине (стоматология, хирургия, инфракрасные бани), сельском хозяйстве (для просушки зерна), обогреве помещений. В заключение, можно сказать, что меры безопасности по работе с ИК оборудованием аналогичны, как и для обычных электроприборов.

НАУЧНЫЕ РАЗРАБОТКИ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ТОМСКОГО ГАСУ

Кафедра теплофизики Томского Государственного Архитектурно-Строительного Университета, изучая в течение ряда последних лет теоретические и практические достижения в области технологии теплообмена битумосодержащих мягких кровель, получила результат в виде построения строгой математической модели процесса регенерации старого кровельного покрытия при инфракрасно конвективном воздействии (ИКВ). Это выразилось в установлении оптимизированного теплоэнергетического соотношения как функции зависящей от времени, мощности ИКВ, толщины кровельного покрытия, температур излучающих поверхностей Тс, конвектирующей среды Тв и окружающего воздуха Тн. Основные положения, автором которых является к.т.н. Дегтяренко А.В., приводятся ниже.

Рис. 3. Характер изменения температурных полей в системе "кровельное покрытие - цементно-песчаная стяжка"
 

На рис. 3 показан типичный характер изменения полей температуры в составном плоском теле в различные моменты времени. Время окончания тепловой обработки определяется температурой 350:360 К на границе "кровельное покрытие - цементно-песчаная стяжка". При этой температуре деформативные свойства покрытия будут достаточны для силовых воздействий и получения плотного контакта между слоями на границе.

Рис. 4. К постановке двумерной задачи теплопроводности:
   а - нагревательное устройство;
   б - битумосодержащий композит;
   в - цементно песчаная стяжка;
   г - слой утеплителя;
   1-4 - расчетные области
 

Математическая модель задачи с учетом допущений включает четыре уравнения теплопроводности для каждой расчетной области 1-4:


Таким образом, физическая модель, полученная специалистами корпорации «АВИСТЕН» в 1993 году, реального процесса теплопереноса на поверхности мягкой кровли под воздействием ИК излучения и дальнейшие экспериментальные данные, приобрели новое научное подтверждение в виде строгой математической модели теплопереноса для идеального тела. Это дало дополнительные научные предпосылки для создания технологического парка и его использования, обеспечивающих высокое качество кровельных ремонтно-восстановительных работ, сокращение материальных трудовых и энергетических ресурсов и повышение межремонтного периода кровель эксплуатирующихся зданий. На данном этапе между учеными ТГАСУ и нашими специалистами ведется плодотворное сотрудничество, выраженное в обмене опытом по теоретическим и практическим вопросам и в совместных разработках. В феврале 2005 г. корпорация «АВИСТЕН» предоставила свое оборудование в ТГАСУ на исследование и подтверждение заявленных технических свойств и характеристик, в результате чего было выдано заключение по рекомендации его использования.