5.11.13∗. Накальная нить радиуса $r$ экранируется тремя цилиндрами радиуса $R$,$2R$ и $3R$. Температура нити $T_{0}$. Определите температуру внешнего экрана. Материал нити и экрана одинаков, степень черноты $\varepsilon=1$.
К задаче $5.11.13$
Решение
$\textbf{Эпиграф:}$ "Если ваш логический, физически обоснованный ответ задачи не совпадает с ответом задачника, то верьте себе. Задачник окончил типографию, а вы университет." (из личного опыта)
Пусть $L$ - длина наших цилиндров. Согласно закону Стефана-Больцмана поток энергии с боковой поверхности цилиндра:
Поскольку у нас цилиндры вставлены один в один, то результирующий поток между цилиндрами будет определяться излучаемой энергией с поверхности внутреннего цилиндра и получаемой энергией от внешнего цилиндра на площадь внутреннего цилиндра. В общем виде можно записать:
Пусть $T_{1}$,$T_{2}$,$T_{3}$ — температуры экранов радиусов $R$,$2R$ и $3R$ соответственно. В стационарном состоянии поток энергии через каждое звено одинаков $Q=const$.
По условию задачи $\varepsilon=1$, тогда от нити к 1-му экрану:
Отдельно хочу пояснить формулу для $Q_{i\to j}$. Когда один цилиндр находится внутри другого, всё излучение с поверхности внутреннего цилиндра неизбежно попадает на внутреннюю поверхность внешнего цилиндра. А вот излучение с внешнего цилиндра попадает на внутренний лишь частично - остальная часть «пролетает мимо» и попадает на другие участки того же внешнего цилиндра. Внешний цилиндр может быть хоть в сто раз больше радиусом, но «эффективно» с внутренним цилиндром будет взаимодействовать ровно столько его энергии, сколько способен «поймать» внутренний цилиндр.
Чисто математически это можно пояснить следующим образом. Поток энергии, которым обмениваются внутренний и внешний цилиндры в общем виде:
где $p$ это доля излучения, попавшая на соседа. Для внутреннего цилиндра $p_{1}=1$, поскольку всё излучение уходит на внешний цилиндр. Излучение энергии у нас однородно и изотропно, поэтому:
$$p_{2}=S_{1}/S_{2}$$
где $S$ площади поверхностей цилиндров. Тогда поток энергии: