Тепловое излучение и его характеристики

ТЕПЛОВОЕ (ИНФРАКРАСНОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ 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. Инфракрасные лучи занимают диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 760 нм до 1-2 мм. (Весь диапазон ИК - излучения делят на области: - ближнюю (750 нм-2,5 мкм) - среднюю (2,5 мкм – 50 мкм) - дальнюю (50 мкм-2 мм).)

Энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн, которое испускается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени (зависит от природы тела, его температуры, состояния поверхности и длины волны излучения). Спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела в данном диапазоне длин волн при данной температуре Коэффициент поглощения - отношение поглощенного телом потока теплового излучения к падающему потоку. (зависит от природы поглощающего тела, длины волны излучения, температуры и состояния поверхности тела) Монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данного диапазона длин волны при заданной температуре: Характеристики теплового излучения

Спектральная плотность энергетической светимости, R - характеризует распределение излучения по длинам волн:, [R ]=Вт /м 3 где интегральная излучательная способность в бесконечно малом интервале длин волн от λ до λ+λ; dλ – ширина интервала длин волн от λ до λ+λ.

Интегральная поглощательная способность (коэффициент поглощения) – способность нагретого тела поглощать энергию внешнего излучения. Если поток излучения падает на какое-либо тело, то часть его отражается поверхностью тела, часть поглощается и часть может проходить через это тело:

Спектральный коэффициент поглощения – физическая величина, характеризующая способность тел поглощать падающее на них излучение на данной длине волны и численно равная отношению монохроматического поглощенного потока к монохроматическому падающему потоку на этой длине волны:

Абсолютно черное тело и его реализация Абсолютно черное тело – это тело, которое поглощает всю падающую энергию. Коэффициент поглощения абсолютно черного тела α = α λ = 1 и не зависит от длины волны. Абсолютно черных тел в природе не существует. Однако некоторые тела в ограниченных интервалах длин волн близки к абсолютно черным. Например, в видимом диапазоне излучения коэффициенты поглощения сажи, платиновой черни и черного бархата, близки к единице.

Абсолютно черное тело и его реализация В физике для экспериментального исследования теплового излучения используется модель, максимально приближенная к абсолютно черному телу. Она представляет собой замкнутую оболочку c небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь оболочки сквозь отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании оболочки из ее отверстия будет исходить излучение, близкое к тепловому излучению абсолютно черного тела.

Серые тела – тела, у которых коэффициент поглощения меньше единицы, но одинаков на всех длинах волн α = const < 1 Эти тела поглощают излучение не полностью, но одинаково на всех длинах волн. Пример: тело человека считают серым телом α = 0,9. Черные и серые тела – это физическая абстракция.

Законы теплового излучения 1. Закон Кирхгофа (1859 г.): Отношение спектральной излучательной способности тел к их спектральной поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела и равно спектральной излучательной способности абсолютно черного тела при данной температуре: где R λ а.ч.т. - спектральная излучательная способность абсолютно черного тела.

Следствия: R λ = R λ а.ч.т. α λ т.к. α λ R λ т.е. абсолютно черное тело излучает больше, чем любое другое при данной температуре; если α λ =0, то R λ =0,.е. если тело не поглощает излучение, то оно его и не излучает.

Тепловое излучение является равновесным – сколько энергии излучается телом, столько ее им и поглощается. Кривые распределения энергии в спектрах теплового излучения различных тел (1 – абсолютно черное тело, 2 – серое тело, 3 – произвольное тело)

2. Закон Стефана-Больцмана интегральная излучательная способность абсолютно черного тела (R а.ч.т. ) прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры (Т) : R а.ч.т. = σ т 4, где =5,67·10 -8 Вт/(м 2 ·К 4 ) – постоянная Стефана- Больцмана. Реальные источники теплового излучения при той же самой температуре обладают меньшей энергетической светимостью, чем абсолютно черное тело. Для серого тела: R.λ с.т = σ Т 4 α λ

3. Закон смещения Вина (1893 г.): длина волны, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности данного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре: m =b/T где b =2,9·10 -3 м·К – постоянная Вина. Спектры теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах

Тепловое излучение тела человека Тело человека имеет постоянную температуру благодаря терморегуляции. Основной частью терморегуляции является теплообмен организма с окружающей средой. Теплообмен происходит с помощью таких процессов: а) теплопроводность (0 %), б) конвекция (20 %), в) излучение (50 %), г) испарение (30 %).

Спасибо за внимание