Законы теплового излучения кратко

Обновлено: 07.07.2024

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).

Рассмотрим случай, когда тело А расположено в полости Б, которая ограничена идеальной отражающей (непроницаемой для излучения) оболочкой С (рис.1). В результате многократного отражения от внутренней поверхности оболочки излучение будет сохраняться в пределах зеркальной полости и частично поглощаться телом А. При таких условиях система полость Б – тело А не будет терять энергию, а будет лишь происходить непрерывный обмен энергией между телом А и излучением, которое заполняет полость Б.

Рис.1. Многократное отражение тепловых волн от зеркальных стенок полости Б

Если распределение энергии остается неизменным для каждой длины волны, то состояние такой системы будет равновесным, а излучение также будет равновесным. Единственным видом равновесного излучения является тепловое. Если по какой-то причине равновесие между излучением и телом сместится, то начинают протекать такие термодинамические процессы, которые вернут систему в состояние равновесия. Если тело А начинает излучать больше, чем поглощает, то тело начинает терять внутреннюю энергию и температура тела (как мера внутренней энергии) начнет падать, что уменьшит количество излучаемой энергии. Температура тела будет падать до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству энергии, поглощаемой телом. Таким образом, наступит равновесное состояние.

Равновесное тепловое излучение имеет такие свойства: однородное (одинаковая плотность потока энергии во всех точках полости), изотропное (возможные направления распространения равновероятны), неполяризованное (направления и значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках полости изменяются хаотически).

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/(м 2 с)] = [Вт/м 2 ] 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): R_λ,T = f(λ, T).

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

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

Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.

- монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: α_λ,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.

Есть также серые тела, для которых α -3 м·К- постоянная Вина.

Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.

Закон Вина применяется в оптической пирометрии - метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).

Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*10 -34 Дж·с постоянная Планка.

Руководствуясь представлениями о квантовом излучении АЧТ, он получил уравнение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:

Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.

Солнце - основной источник теплового излучения в природе. Солнечное излучение занимает широкий диапазон длин волн: от 0,1нм до 10м и более. 99% солнечной энергии приходится на диапазон от 280 до 6000нм. На единицу площади Земной поверхности приходится в горах от 800 до 1000 Вт/м 2 . До земной поверхности доходит одна двухмиллиардная часть тепла - 9,23 Дж/см 2 . На диапазон теплового излучения от 6000 до 500000нм приходится 0,4% энергии Солнца. В атмосфере Земли большая часть ИК-излучения поглощается молекулами воды, кислорода, азота, диоксида углерода. Радиодиапазон тоже большей частью поглощается атмосферой.

Количество энергии, которую приносят солнечные лучи за 1с на площадь в 1 кв.м, расположенную за пределами земной атмосферы на высоте 82 км перпендикулярную солнечным лучам называется солнечной постоянной. Она равна 1,4*10 3 Вт/м 2 .

Спектральное распределение нормальной плотности потока солнечного излучения совпадает с таким для АЧТ при температуре 6000 градусов. Поэтому Солнце относительно теплового излучения - АЧТ.

3. Излучение реальных тел и тела человека

Тепловое излучение с поверхности тела человека играет большую роль в теплоотдаче. Существуют такие способы теплоотдачи: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение, испарение. В зависимости от условий, в которых окажется человек, каждый из этих способов может иметь доминирующее значение (так, например, при очень высоких температурах среды ведущая роль принадлежит испарению, а в холодной воде – кондукции, причем температура воды 15 градусов является смертельной средой для обнаженного человека, и через 2-4 часа наступает обморок и смерть вследствие переохлаждения мозга). Доля излучения в общей теплоотдаче может составлять от 75 до 25%. В нормальных условиях около 50% при физиологическом покое.

Тепловое излучение, которое играет роль в жизни живых организмов делится на коротковолновую (от 0,3 до 3 мкм) и длинноволновую (от 5 до 100мкм). Источником коротковолнового излучения служат Солнце и открытое пламя, а живые организмы являются исключительно реципиентами такого излучения. Длинноволновая радиация и излучается, и поглощается живыми организмами.

Величина коэффициента поглощения зависит от соотношения температур среды и тела, площади их взаимодействия, ориентации этих площадей, а для коротковолнового излучения – от цвета поверхности. Так у негров происходит отражение лишь 18% коротковолнового излучения, тогда как у людей белой расы около 40% (скорее всего, цвет кожи негров в эволюции не имел отношение к теплообмену). Для длинноволнового излучения коэффициент поглощения приближен к 1.

Расчет теплообмена излучением - очень трудная задача. Для реальных тел использовать закон Стефана-Больцмана нельзя, поскольку у них более сложная зависимость энергетической светимости от температуры. Оказывается, она зависит от температуры, природы тела, формы тела и состояния его поверхности. Со сменой температуры изменяется коэффициент σ и показатель степени температуры. Поверхность тела человека имеет сложную конфигурацию, человек носит одежду, которая изменяет излучение, на процесс влияет поза, в которой находится человек.

Для серого тела мощность излучения во всем диапазоне определяется по формуле: P = α_с.т.σ·T 4 ·S Считая с определенными приближениями реальные тела (кожа человека, ткани одежды) близкими к серым телам, можно найти формулу для вычисления мощности излучения реальными телами при определенной температуре: P = α·σ·T 4 ·S В условиях разных температур излучающего тела и окружающей среды: P = α·σ·(T₁ 4 - T₂ 4 )·S
Существуют особенности спектральной плотности энергетической светимости реальных тел: при 310К, что соответствует средней температуре тела человека, максимум теплового излучения приходится на 9700нм. Любое изменение температуры тела приводит к изменению мощности теплового излучения с поверхности тела (0,1 градус достаточно). Поэтому исследование участков кожи, через ЦНС связанных с определенными органами, способствует выявлению заболеваний, в результате которых температура изменяется довольно значительно (термография зон Захарьина-Геда).

Интересен метод бесконтактного массажа биополем человека (Джуна Давиташвили). Мощность теплового излучения ладони 0,1Вт, а тепловая чувствительность кожи 0,0001 Вт/см 2 . Если действовать на вышеупомянутые зоны, можно рефлекторно стимулировать работу этих органов.

4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода

Тело человека постоянно излучает и поглощает тепловое излучение. Этот процесс зависит от температур тела человека и окружающей среды. Максимум ИК-излучения тела человека приходится на 9300нм.

При маленьких и средних дозах облучения ИК-лучами усиливаются метаболические процессы и ускоряются ферментативные реакции, процессы регенерации и репарации.

В результате действия ИК-лучей и видимого излучения в тканях образуются БАВ (брадикинин, калидин, гистамин, ацетилхолин, в основном вазомоторные вещества, которые играют роль в осуществлении и регуляции местного кровотока).

В результате действия ИК-лучей в коже активируются терморецепторы, информация от которых поступает в гипоталамус, в результате чего расширяются сосуды кожи, увеличивается объем циркулирующей в них крови, усиливается потовыделение.

Глубина проникновения ИК-лучей зависит от длины волны, влажности кожи, наполнения ее кровью степени пигментации и т.д.

На коже человека под действием ИК-лучей возникает красная эритема.

Применяется в клинической практике для влияния на местную и общую гемодинамику, усиления потовыделения, расслабления мышц, снижения болевого ощущения, ускорения рассасывания гематом, инфильтратов и т.д.

В условиях гипертермии усиливается противоопухолевое действие лучевой терапии - терморадиотерапия.

Основные показания применения ИК-терапии: острые негнойные воспалительные процессы, ожоги и обморожения, хронические воспалительные процессы, язвы, контрактуры, спайки, травмы суставов, связок и мышц, миозиты, миалгии, невралгии. Основные противопоказания: опухоли, гнойные воспаления, кровотечения, недостаточность кровообращения.

Холод применяется для остановки кровотечений, обезболивания, лечения некоторых заболеваний кожи. Закаливание ведет к долголетию.

Под действием холода снижается частота сердечных сокращений, артериальное давление, угнетаются рефлекторные реакции.

В определенных дозах холод стимулирует заживление ожогов, гнойных ран, трофических язв, эрозий, коньюктивитов.

Криобиология - изучает процессы, которые происходят в клетках, тканях, органах и организме под действием низких, нефизиологических температур.

В медицине используются криотерапия и гипертермия. Криотерапия включает методы, основанные на дозированном охлаждении тканей, органов. Криохирургия (часть криотерапии) использует локальное замораживание тканей с целью их удаления (часть миндалины. Если вся – криотонзилоэктомия. Можно удалять опухоли, например, кожи, шейки матки и т.д.) Криоэкстракция, основанная на криоадгезии (прилипании влажных тел к замороженному скальпелю) – выделение из органа части.

При гипертермии можно некоторое время сохранить функции органов ин виво. Гипотермию с помощью наркоза используют для сохранения функции органов при отсутствии кровоснабжения, поскольку замедляется обмен веществ в тканях. Ткани становятся стойкими к гипоксии. Применяют холодовой наркоз.

Осуществляют действие тепла с помощью ламп накаливания (лампа Минина, солюкс, ванна светотепловая, лампа ИК-лучей) с использованием физических сред, имеющих высокую теплоемкость, плохую теплопроводность и хорошую теплосохранящую способность: грязи, парафин, озокерит, нафталин и т.д.

5. Физические основы термографии.Тепловизоры

Термография, или тепловидение - это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации ИК-излучения тела человека.

Существует 2 разновидности термографии:

- контактная холестерическая термография: в методе используются оптические свойства холестерических жидких кристаллов (многокомпонентные смеси сложных эфиров и других производных холестерина). Такие вещества избирательно отражают разные длины волн, что дает возможным получать на пленках этих веществ изображения теплового поля поверхности тела человека. На пленку направляют поток белого света. Разные длины волн по-разному отражаются от пленки в зависимости от температуры поверхности, на которую нанесен холестерик.

Под действием температуры холестерики могут изменять цвет от красного до фиолетового. В результате формируется цветное изображение теплового поля тела человека, которое легко расшифровать, зная зависимость температура-цвет. Существуют холестерики, позволяющие фиксировать разницу температур 0,1 градус. Так, можно определить границы воспалительного процесса, очаги воспалительной инфильтрации на разных стадиях ее развития.

В онкологии термография позволяет выявить метастатические узлы диаметром 1,5-2мм в молочной железе, коже, щитовидной железе; в ортопедии и травматологии оценить кровоснабжение каждого сегмента конечности, например, перед ампутацией, опередить глубину ожога и т.д.; в кардиологии и ангиологии выявить нарушения нормального функционирования ССС, нарушения кровообращения при вибрационной болезни, воспалении и закупорке сосудов; расширение вен и т.д.; в нейрохирургии определить расположение очагов повреждения проводимости нерва, подтвердить место нейропаралича, вызванного апоплексией; в акушерстве и гинекологии определить беременность, локализацию детского места; диагностировать широкий спектр воспалительных процессов.

- Телетермография – базируется на превращение ИК-излучения тела человека в электрические сигналы, которые регистрируются на экране тепловизора или другом записывающем устройстве. Метод бесконтактный.

ИК-излучение воспринимается системой зеркал, после чего ИК-лучи направляются на приемник ИК-волн, основную часть которого составляет детектор (фотосопротивление, металлический или полупроводниковый болометр, термоэлемент, фотохимический индикатор, электронно-оптический преобразователь, пьезоэлектрические детекторы и т.д.).

Электрические сигналы от приемника передаются на усилитель, а потом – на управляющее устройство, которое служит для перемещения зеркал (сканирование объекта), разогревания точечного источника света ТИС (пропорционально тепловому излучению), движения фотопленки. Каждый раз пленка засвечивается ТИС соответственно температуре тела в месте исследования.

После управляющего устройства сигнал может передаваться на компьютерную систему с дисплеем. Это позволяет запоминать термограммы, обрабатывать их с помощью аналитических программ. Дополнительные возможности предоставляет цветные тепловизоры (близкие по температуре цвета обозначить контрастными цветами), провести изотермы.

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.

Приведенные ниже законы теплового излучения являются основой бесконтактного измерения температуры тепловиорами и пирометрами. Эти законы теплового излучения не применяются термографистами для расчетов в повседневной работе. Вместе с тем, на этих законах излучения основан пересчет температур в программном обеспечении тепловизоров, процедуры калибровки пирометров и тепловизоров, расчет лучистого теплообмена в строительных и промышленных объектах. Знание законов теплового излучения поможет Вам сдать экзамен при аттестации по тепловому контролю на 1 или 2 уровень. Эти законы теплового излучения довольно часто встречаются в вопросах экзаменов по тепловому контролю.

Закон Стефана — Больцмана

Австрийский физик и математик Йозеф Стефан (Joseph Stefan) в 1879 году путём измерения теплоотдачи платиновой проволоки при различных температурах установил пропорциональность излучаемой ею энергии четвертой степени абсолютной температуры. Теоретическое обоснование этого закона было дано в 1884 году учеником Стефана Людвигом Больцманом (Ludwig Boltzmann).

Энергетическая светимость (q) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (T).

εКонстанта в этой формуле называется постоянной Стефана-Болъцмана, σ = 5.67⋅10 -8 (Вт/м 2 )/К 4 . Энергетическая светимость — это мощность излучения на всех длинах волн с единицы поверхности (Вт/м2). Из этого следует, что все окружающие нас объекты испускают тепловое излучение, так как всегда имеют температуру выше абсолютного нуля 0 К или выше минус 273ºС. При повышении абсолютной температуры в два раза, мощность излучения увеличится в 16 раз. Но так можно говорить только про температуру в абсолютной шкале Кельвина, в градусах Цельсия температура не меняется в разы или на проценты никогда! Закон теплового излучения справедлив для абсолютно черного тела.

Для перехода к реальным объектам (серым телам) необходимо умножить результат на коэффициент излучения (степень черноты) объекта ε, который всегда меньше 1. Важно отметить два момента, о которых часто забывают. Во-первых, этот закон теплового излучения говорит только об общей излучаемой энергии суммарно на всех длинах волн. Тепловизор воспринимает только часть спектра, например, для LWIR камеры рабочий участок 7-14 мкм. Сколько излучения приходится на разные участки длин волн описывается формулой Планка, о которой далее. Во-вторых, приведенная формула показывает только собственное излучение, которое испускает нагретый объект. В случае с поверхностью реального объекта (не АЧТ) к этому излучению добавится некоторое отражение окружающих объектов. Поэтому невозможно узнать фактическую температуру, настраивая только значение коэффициента излучения ε. В некоторых источниках встречается очевидно ошибочная формула для расчета фактической температуры поверхности Tфакт = Tрад / (корень 4 степени из ε).

Закон излучения Кирхгофа

Отношение излучательной способности (E) к поглощательной способности (A) одинаково для всех тел при данной температуре (T) для данной длины волны (λ) и не зависит от формы тела, его химического состава и проч.

Закон излучения Кирхгофа является одним из основных законов теплового излучения и не распространяется на другие виды излучения. Из закона следует — чем тело больше поглощает при температуре T на длине волны λ, тем оно больше излучает при данных температуре и длине волны. Таким образом, поверхности с высокой степенью черноты (коэффициентом излучения) хорошо поглощают падающее излучение и сами являются хорошими излучателями. Блестящие зеркальные поверхности с низким коэффициентом излучения мало излучают и плохо поглощают падающее на них излучение. Эта связь очень важна в инфракрасной термографии.

Законы теплового излучения это свойственно всем телам, при этом каждое тело одновременно и излучает и поглощает излучение, падающее на него от других тел. Этот процесс продолжается и тогда, когда температура тел уравнивается и наступает динамическое равновесие между количеством излученной и поглощенной телом энергии.

В этом случае излучение называется равновесным. Равновесное излучение устанавливается в замкнутой системе тел при определенной для заданных условий температуре (равновесная температура).

Что такое законы теплового излучения

Поток энергии электромагнитной волны в области оптического излучения называется потоком лучистой энергии или просто лучистым потоком Ф_э. Лучистый поток может измеряться в любых единицах мощности, например вт, мквт, эрг/сек и т. п.

Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности S, называется плотностью лучистого потока или излучательной способностью тела:

ε = Фэ/S

Падая на поверхность тела, лучистый поток частью поглощается. Величина, равная отношению потока Ф_эп, поглощенного единицей поверхности тела, к падающему на нее потоку Ф_эo, называется коэффициентом поглощения а:

Если эти величины относятся к монохроматическому излучению (в пределах длины волны от λ до λ + ∆λ), ток названию прибавляется слово спектральный и в обозначении ставится индекс:

ε _λ ; аλ .

Если эти величины относятся также и к определенной температуре Т тела, то ставится индекс:

ε _λ,Т и а λ,Т

Тело, при любой температуре поглощающее полностью падающее на него излучение любой длины волны, т. е. тело, для которого коэффициент поглощения при любых длинах волн и температурах равняется единице:

а λ,Т = 1 называется абсолютно черным телом.

Законы теплового излучения абсолютно черного тела осуществляется в виде небольшого отверстия, которое ведет в замкнутую полость произвольной формы с зачерненными стенками . Лучи, проникающие через отверстие, испытывая многократное отражение от стенок, не выходят за пределы полости и в конце концов полностью поглощаются ее стенками.

В природе коэффициент поглощения, близкий к единице, имеют платиновая чернь и сажа.

При равновесном излучении тело, которое поглощает больше энергии, должно больше и излучать, и наоборот. Следовательно, излучательная способность тела и его коэффициент поглощения находятся в определенной зависимости.

Первый закон теплового излучения

I законом теплового излучения закон Кирхгофа для теплового излучения (законы теплового излучения Кирхгофа): отношение спектральной излучательной способности тела к его спектральному коэффициенту поглощения не зависит от природы тела, а только от длины волны ) и абсолютной температуры Т и численно равняется излучательной способности абсолютно черного тела (при тех же λ и Т):

Из закона Кирхгофа следует, что для волн определенной длины и при данной температуре излучательная способность тел прямо пропорциональ на их коэффициенту поглощения. Это можно показать следующим опытом.

На белой фарфоровой пластинке зачерняется сажей круг, т. е. создается участок с высоким коэффициентом поглощения. Если пластинку нагреть до высокой температуры и наблюдать ее в темноте, то будет видно, что ярче светится зачерченный круг, а не светлые части пластинки.

Из этого закона следует также, что при данной температуре нагретые тела излучают преимущественно те волны, которые он и больше всего поглощают, и наоборот. Это объясняет, например, обращенные спектры паров и газов.

Пользуясь законом Кирхгофа, можно определить излучательную способность любого тела по его коэффициенту поглощения и излучательной способности черного тела:

Две последние величины устанавливаются экспериментально.

Излучательная способность черного тела определяется II и III законами теплового излучения.

Второй закон

II закон (Стефана — Больцмана): полная (по всему спектру) излучательная способность ε_Т абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:

ε_Т = σТ 4 .

Коэффициент пропорциональности о называется постоянной излучения и представляет собой количество энергии, излучаемой в 1 сек и с 1 см 2 поверхности черного тела при температуре его 1°К. По величине σ = 5,7•10 -12 вт/(см 2 •град₄) или 1,38•10 -12 кал/(см 2 •сек•град 4 ).

Третий закон

III закон (законы теплового излучения закон Вина): длина волны λ _т, на которую приходится максимум излучательной способности черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре Т:

λ _т = b/Т

где b — постоянная, равная 2898 мк • град.

Закон Вина называется законом смещения, так как он показывает, что с повышением температуры тела максимум энергии излучения черного тела смещается в сторону коротких волн.

Распределение энергии в спектре тела, близкого к абсолютно черному при различных температурах, показано на графике рис. 2, а. График дает зависимость между энергией ε_λ излучения в относительных единицах и длиной волны при различных температурах Т.

Приближенно принимается, что излучение Солнца подчиняется законам Стефана — Больцмана и Вина.

Закон теплового излучения Стефана—Больцмана применяется приближенно и к излучению нечерных тел. По закону Кирхгофа (применяя его к полной излучательной способности тел) полная излучательная способность нечерного тела ε’_Т может быть выражена через его коэффициент поглощения а и излучательную способность ε_Т черного тела:

ε’_Т = аε_Т = а σT 4 = δТ 4

где δ — приведенный коэффициент излучения, который зависит от природы, температуры тела и в значительной степени от состояния его поверхности. Ориентировочные данные этого коэффициента при невысокой температуре тела порядка 400—500°К приведены в таблице (δ кал/(см 2 •сек•град 4 ).

Вещество	δ
Сажа	1,28 • 10 -12
Известь	1 ,25• 10 -12
Алюминий шерохова тый	0,097 • 10 -12
Алюминий полирований	0,072 •10 -12
Серебро	0,042 • 10 -12
Ткани	(1,1÷1,3)•10 -12
Кожа челове ка	1,2 • 10 -12

Для нечерных тел закон смещения выполняется только качественно.

Были сделаны попытки вывести теоретически закон распределения энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн при различных температурах. Однако расчеты, сделанные по правилам классической физики, не совпадали с данными эксперимента.

Закон теплового излучения Планка формула Планка

Задача была решена в 1900 г. М. Планком путем отказа от классических представлений о непрерывности световых волн. Планк высказал принципиально новую гипотезу о том, что свет излучается прерывно (дискретно) порциями, несущими определенное количество Е_ф или квант энергии, кото рое прямо пропорционально частоте v излучения:

Е_ф = hv = h(c/λ),

где коэффициент h не зависит от частоты излучения и h = 6,62 • 10 -27 эрг•сек. Этот коэффициент называется универсальной постоянной или постоянной Планка.

Таким образом, согласно Планку световая волна переносит энергию только в количествах, кратных величине кванта энергии данного излучения.

При этих условиях спектральная излучательная способность ε_λ,Т черного тела может быть выражена формулой

ε_λ,Т = ((2 π h c 2 )/λ 5 ) ((I)/e hc/kλТ — I)

где h—постоянная Планка, λ — длина волны, с — скорость света в вакууме, Т — абсолютная температура, k — постоянная Больцмана, е — основание натуральных логарифмов. Формулы Планка хорошо согласуются с опытными данными.

Дальнейшее развитие физики показало, что постоянная Планка является одной из фундаментальных величин, обусловленных свойствами самого атома.

Источники теплового излучения

Основным источником теплового излучения в природе является Солнце. Дозированное облучение солнечным излучением применяется в медицине для лечебных целей (гелиотерапия, или солнцелечение), а также как средство укрепления (закаливания) организма, повышающее его естественные защитные силы.

Наиболее активной в этом отношении является доходящая до земной поверхности длинноволновая часть ультрафиолетового излученияε Солнца.

Плотность лучистого потока солнечного излучения на границе земной атмосферы составляет ε_с = 8,4 •10 4 дж/(м 2 •мин) [1,93 кал/(см 2 •мин)].

Эта величина называется с олнечной постоянной. При прохождении через атмосферу спектральный состав солнечного излучения несколько изменяется, а солнечная постоянная уменьшается в зависимости от состояния атмосферы (облачность) и от высоты Солнца над горизонтом. В наиболее благоприятных условиях она составляет 1,5—1,6 кал/(см 2 •мин).

График распределения энергии в спектре солнечного излучения приведен на рис. 3 (кривая Б — на поверхности Земли, А — на границе земной атмосферы). Максимум энергии излучения на границе атмосферы соответствует длине волны 470 ммк, на поверхности Земли около 555 ммк.

Применение теплового излучения

Из искусственных источников теплового излучения в медицине применяются лампы накаливания и инфракрасные излучатели.

В свое время широко использовалось также облучение светом электрической дуги, спектр которого содержит значительное количество ультрафиолетового излучения и потому приближается к спектру Солнца. В настоящее время оно заменяется облучением с помощью ртутных ламп.

Недостатком облучения светом от ламп накаливания является почти полное отсутствие в их спектре ультрафиолетового излучения. При достаточно высокой температуре нити в спектре имеется некоторое количество этого излучения, но оно поглощается стеклом колбы лампы.

Применяется также облучение инфракрасной лампой (инфраруж), которая является источником преимущественно инфракрасного излучения. Лампа состоит из штатива и рефлектора, в центре которого расположен нагревательный элемент Н из металлической спирали, навитой на керамическом основании.

Спираль накаливается электрическим током до сравнительно невысокой температуры (400—500°С), при которой и становится источником относительно коротковолнового инфракрасного излучения.

Реферат на тему Законы теплового излучения

Законы теплового излучения кратко

3. Излучение реальных тел и тела человека

4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода

5. Физические основы термографии.Тепловизоры

Общие сведения

Природа явления

Закон Стефана — Больцмана

Закон Стефана — Больцмана

Закон излучения Кирхгофа

Что такое законы теплового излучения

Первый закон теплового излучения

Второй закон

Третий закон

Закон теплового излучения Планка формула Планка

Источники теплового излучения

Применение теплового излучения

Похожие страницы: