Спектральные характеристики теплового излучения кратко

Обновлено: 03.07.2024

Тепловое излучение — это электромагнитные волны, испускаемые электрически заряженными частицами в результате их теплового движения в веществе.

Металлические стержни, нагретые в плавильной печи, светятся ярким светом. Это тепловое излучение. Испускают ли тепловое излучение только тела с очень высокой температурой? Оказывается, любое тело с температурой выше абсолютного нуля является источником этого излучения. Почему же мы не видим этого излучения, исходящего от окружающих нас объектов? Ответ вы найдете в этой статье.

Причины возникновения теплового излучения и его свойства

Все тела с температурой выше абсолютного нуля ( -273,15 ℃, 0К ) испускают тепловое излучение. Электромагнитные волны, падающие на тело, могут быть поглощены им. Чем больше энергии поглощает тело при постоянной температуре, тем больше энергии оно излучает. Отношение поглощенного и испущенного излучения не зависит от природы тела — для всех тел это одна и та же функция температуры и длины волны.

Почему мы видим тепловое излучение только для сильно нагретых тел, таких как металлический стержень в плавильной печи?

Свет — это электромагнитная волна. Каждому цвету света соответствует своя длина волны. Красный свет имеет наибольшую длину волны, синий и фиолетовый — наименьшую. Белый свет — это смесь всех цветов, которые проявляются в радуге, образующейся при расщеплении белого света на капельках воды в атмосфере (рис. 1.).

Рис. 1. Радуга. Каждому цвету света соответствует своя длина волны, от самой высокой для красного света до самой низкой для фиолетового

Когда вы нагреваете металлический стержень, например, над газовой горелкой, примерно до 500°C, вы заметите, что он начинает светиться красным светом. По мере увеличения температуры стержня цвет света меняется на оранжевый, желтый и затем белый. Повышение температуры вызывает излучение электромагнитных волн со все более короткой длиной волны. Одновременно с повышением температуры стержень светит все интенсивнее — мы говорим, что увеличивается облученность, т.е. энергия излучения, выделяемая в течение 1 секунды на 1 м 2 поверхности тела.

Все горячие тела светятся. Оказывается, низкотемпературные тела, которые не светятся видимым светом, также испускают излучение, но в диапазоне длин волн больше, чем видимый свет. Это излучение называется инфракрасным излучением. Он невидим для наших глаз, но несет в себе тепловую энергию. Инфракрасное излучение используется, например, для нагревания тела с помощью специальной инфракрасной лампы (рис. 2.). Мы видим, что лампа светит довольно слабым красным светом, но гораздо более интенсивным является ее излучение в инфракрасном диапазоне, невидимом для нас. Мы можем ощущать его воздействие только в виде нагрева тела.

Рис. 2. Инфракрасная лечебная лампа испускает тепловое излучение в основном в более длинноволновом диапазоне, чем видимый свет.

Этот пример показывает, что тепловое излучение не ограничивается узким диапазоном длин волн. Тела испускают излучение любой длины волны в очень широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения приходится на определенный диапазон длин волн, зависящий от температуры.

Так, в инфракрасной лампе максимум излучения приходится на диапазон длин волн, соответствующий инфракрасному излучению, а в других диапазонах излучение намного слабее. Когда металлический стержень нагревается до красного цвета, в дополнение к красному свету, который мы видим, также испускается инфракрасное излучение, которое ощущается как ощущение тепла. Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению доли коротких длин волн, в результате чего цвет стержня меняется на желтый, а затем на белый. Стержень по-прежнему излучает красный свет и инфракрасное излучение, но их доля в общем излучении меньше.

Солнечный свет, излучаемый поверхностью Солнца при температуре около 6000 К, содержит видимый свет во всем диапазоне длин волн, а также невидимое для нас ультрафиолетовое излучение (УФ) с длинами волн короче, чем у видимого света. Именно благодаря этому излучению мы загораем.

В чем причина того, что преобладающая длина волны теплового излучения уменьшается с повышением температуры? Повышение температуры означает увеличение средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличение средней энергии излучения, испускаемого частицами. Чем больше энергия излучения, тем короче длина волны.

Спектр теплового излучения

Рис. 3. Столкновение двух галактик запечатлено телескопом Хаббл. Источник фото — ESA

Из опыта мы знаем, что тела при очень высоких температурах, такие как жидкий металл или фотосфера Солнца, светятся белым светом. Если пропустить этот свет через призму, он расщепляется на разные цвета (рис. 4). Каждый цвет соответствует своей длине электромагнитной волны, от 400 нм для фиолетового света до 700 нм для красного. Разделив белый свет на отдельные цвета, мы получим спектр белого света (рис. 5).

Рис. 4. Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света Рис. 5. Спектр белого света

Спектр излучения — это записанное изображение излучения, распределенного по различным длинам волн.

Расщепление белого света показывает, из каких цветов состоит свет, но не дает информации о том, какова мощность излучения во всех последовательных местах цветового спектра. Для более тщательного изучения спектра излучения необходимо перемещать датчик, например, фотоэлемент, вдоль спектра для измерения мощности для каждой длины волны. Измеренное количество энергии излучения в определенных диапазонах длин волн света позволяет построить кривую спектрального распределения (рис. 6.).

Рис. 6. Кривая спектрального распределения показывает измеренную энергию излучения в определенных спектральных диапазонах

На рис. 7 показана кривая спектрального распределения солнечного излучения. На вертикальной оси отмечена энергия излучения в интервале длин волн (λ, λ + Δλ), испускаемая в единицу времени, на горизонтальной оси отмечена длина волны излучения λ с диапазоном длин волн видимого света. Излучение Солнца выходит далеко за пределы этого диапазона. Оно содержит ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, и инфракрасное излучение с длиной волны больше, чем у видимого света. В солнечном излучении содержатся все длины волн видимого света, поэтому мы воспринимаем солнечный свет как белый.

Рис. 7. Кривая спектрального распределения солнечного излучения — зависимость интенсивности излучения от длины волны

Максимум графика находится на длине волны около 500 нм, что соответствует зеленому цвету.

Положение максимума излучения определяется температурой тела, испускающего излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волны максимума излучения (рис. 8.). По этой причине, когда нагретое тело начинает светиться, оно сначала светится красным светом, а по мере повышения температуры цвет меняется на желтый и, наконец, на белый, поскольку увеличивается доля света более коротких длин волн.

Рис. 8. Кривые спектрального распределения теплового излучения для различных температур излучающего тела

Излучение, испускаемое людьми и большинством окружающих нас предметов, не видно, поскольку максимум излучения лежит в инфракрасном диапазоне. Наши глаза не могут воспринимать такое излучение, но его можно обнаружить с помощью тепловизионной камеры, которая регистрирует инфракрасное излучение.

Кривые спектрального распределения теплового излучения для более высоких температур выше, чем для более низких. Это означает, что с увеличением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Область под графиком (см. рисунок 7) — это мера общей энергии, излучаемой единицей площади тела. Энергия, излучаемая единичной поверхностью, сильно зависит от температуры. Вот почему тела с очень высокой температурой светятся намного ярче, чем тела с более низкой температурой.

Формулы, которые отражают зависимость теплового излучения от температуры

Итак, максимум кривой спектрального распределения излучения смещается в сторону более коротких длин волн с увеличением температуры. Длина волны λ_max, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: λ_max = b / T, где b = 2,898 * 10 -3 м·К — коэффициент пропорциональности (постоянная Вина). Эта формула называется законом смещения Вина.

Анализ графиков на рис. 8 позволяет сделать еще один вывод. Мы видим, что кривые для более высоких температур лежат все выше и выше. Это означает, что с повышением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Эти отношения очень прочные. Энергия излучения прямо пропорциональна T 4 . Зависимость энергии излучения от температуры, называемая законом Стефана — Больцмана, имеет следующий вид: E = σ * T 4 , где

где E — энергия, излучаемая с единицы площади тела и в единицу времени, T — температура по шкале Кельвина, и σ — постоянная Стефана — Больцмана, которая равна: σ = 5,67 — 10 -8 Вт / (м 2 · К 4 ).

Знание кривой спектрального распределения позволяет определить температуру далекого светящегося объекта. Если мы определим длину волны, соответствующую максимуму кривой, затем, после преобразования формулы Вина, получаем значение температуры объекта: T = b / λ_max .

Таким образом, не покидая Земли, определяется температура Солнца и других звезд. Оказывается, наше Солнце излучает так, что кривая спектрального распределения соответствует температуре около 5800 К — средней температуре поверхности Солнца.

Если мы знаем расстояние до звезды, мы можем вычислить ее диаметр на основе анализа теплового излучения. Интенсивность излучения уменьшается с расстоянием, но, зная расстояние, мы можем рассчитать полную энергию, излучаемую звездой. Теперь достаточно разделить общую энергию на энергию, излучаемую на единицу площади, полученную из закона Стефана-Больцмана, чтобы получить площадь диска звезды, с которой излучение достигает нас.

Тепловым излучением называют вид электромагнитного излучения, испускаемого нагретыми телами за счет внутренней энергии. К внутренней энергии тела относится кинетическая и потенциальная энергия частиц, составляющих данное тело.

Содержание

Свойства теплового излучения.

Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности
Интенсивность теплового излучения неравномерна по частотам и имеет явно выраженный максимум при определенной частоте
C ростом температуры общая интенсивность теплового излучения возрастает
C ростом температуры максимум излучения смещается в сторону больших частот (меньших длин волн)
Тепловое излучение характерно для тел независимо от их агрегатного состояния
Самым важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит что если мы поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии.

Основные понятия и характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать что спектральная плотность и энергетическая светимость выраженные через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

Отражающая способность тела

Абсолютно черное тело

Абсолютно черное 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

Объемная плотность энергии излучения

Спектральная плотность энергии

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

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:

- энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м2с)] = [Вт/м2] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.

- спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): Rλ,T = f(λ, T).

Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием Rλ,T = f(λ, T) для T = const:

- коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр , другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФпогл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФпр : α = dФпогл/dФпад.

- монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: αλ,T = f(λ,T)

Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами. Для них α =1.

Взаимодействие между собой заряженных веществ приводит к появлению электромагнитного поля. В свою очередь, оно вызывает ряд возмущений в пространстве. Одно из них — тепловое излучение. Происходит оно за счёт внутренней энергии тел, которой обладает любой нагретый физический объект. Причиной же этому является природная особенность устройства атомов и молекул.

Общие сведения

В начале XIX века английский астроном и оптик Вильям Гершель, используя призму, наблюдал преломление солнечного света. В итоге он смог обнаружить, что тела при повышении температуры обладают излучением.

Лежало оно за пределами красной части спектра и получило название инфракрасное. Этот вид, как оказалось, в дальнейшем, был связан с природой колебаний атомов в кристаллической решётке и стал синонимом тепловому излучению.

Гершель установил, что инфракрасный свет подчиняется всем известным законам оптики. Через более чем сто лет советская учёная Глаголева-Аркадьева смогла получить опытным путём радиоволны, лежащие в области излучения совпадающим с тепловым. Это позволило заключить, что инфракрасный поток является разновидностью электромагнитной волны.

Условно тепловое излучение разделяют на три группы:

коротковолновое — длина волны лежит в пределах от 0,74 мкм до 2,5 мкм;
средневолновое — диапазон излучения находится в промежутке от 2,5 мкм до 50 мкм;
длинноволновое — занимает участок электромагнитных волн от 60 мкм до 10 мкм.

Как оказалось, инфракрасные лучи создаёт и тело человека. Но тепловое излучение оно может не только излучать, но и воспринимать. Оптик Харди предположил, что человек способен излучать в области характерной для абсолютно чёрного тела. Причём длина волны не зависит от возраста и других особенностей строения человеческого организма. Поэтому коэффициент излучения кожи приняли равным единице. Но практические исследования показали, что различия всё же есть. Оно несущественное и зависит от окружающей обстановки. Так, при температуре помещения 22 °C излучение уже нельзя отнести к коротковолновому.

Инфракрасный спектр наблюдается в вакууме. Его испускание можно обнаружить у нагретого металла, в земной атмосфере, на поверхности белого карлика. Оказалось, что излучение разных тел отличается не только длиной волны, но и интенсивностью. Но при этом наступает такой момент, когда физический объект находится в состоянии термодинамического равновесия. В этот момент неизменной остаётся не только температура, но и давление, объём, энтропия. Такое состояние часто называют равновесным. По сути, оно соответствует излучению спектра абсолютно чёрного тела и описывается формулой Планка.

Природа явления

Любое излучение не может существовать само по себе. Для его появления необходим источник. Испускаемое им излучение уносит энергию, которая после может принимать любой вид. Изучая закономерности тепловых лучей, учёные пытались установить связь между ними и световыми волнами. Простой опыт показывал, что если нагретое тело поместить в замкнутое пространство с зеркальными стенами, то через время все поверхности станут одинаковой температуры. Наступит тепловое равновесие.

После того как было изучено строение тел, открыты элементарные частицы и кристаллическая решётка, стало ясно, что любое твёрдое тело является излучателем электромагнитной волны. Обусловлено оно тем, что свободные частицы в равновесном состоянии обладают именно энергией, полученной за счёт тепловых колебаний. При этом обусловлено оно возбуждением атомов и молекул при соударениях.

Возбуждение частиц происходит за счёт того, что частицы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, сталкиваясь с молекулами, отдают им часть своей энергии. Но так как любая система всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбуждённые носители зарядов стремятся вернуться в предыдущее состояние, испуская при этом электромагнитную волну.

Естественно, теплоизлучение — это интенсивный процесс, но при этом зависящий от окружающих источник температур. Установлено, что вне зависимости от возникновения величина излучения снижается с уменьшением температуры. При достижении абсолютного нуля движение частиц прекращается. Следовательно, электромагнитная волна телом не генерируется, но в то же время оно остаётся способным поглощать энергию извне.

В зависимости от механизма тепловые колебания описываются следующим характеристиками:

Мощность. Показывает количество энергии, которое способно испустить тело за единицу времени: F = Δ W / Δ t.
Светимость. Определяет величину энергии, которую тело может излучать за одну секунду с поверхности равной одному квадратному метру: R = F / S.
Спектральной плотностью. Описывает, по какому закону происходит распределение энергии по спектру: r = dR / dj .
Коэффициент монохромного поглощения. Находится как отношение поглощённого потока к падающему на тело в единичном интервале длин волн: j = Fпог / F пад.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

В медицине с их помощью исследуют кровь, пульс. Кроме того, оказывая воздействие правильно подобранным нетепловым излучением на кожные рецепторы улучшают кровообращение, процессы метаболизма.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 100 0 С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

Формула, полученная физиками, выглядит так: R = σ * T 4 . Где:

T — Абсолютная температура в кельвинах [K];
σ - постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10 -8 Вт / (м 2 * К);
R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м 2 ].

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Таким образом, закон Стефана — Больцмана представляет зависимость интенсивности излучения, а формула Вина определяет частоту испускаемой волны. Инфракрасное испускание — это основной механизм передачи тепла происходящий с помощью лучистой энергии. Его часто называют тепловой радиацией облучения.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.

Читайте также: