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 Фэ.
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 Фэп, поглощенного единицей поверхности тела, к падающему на нее потоку Фэo, называется коэффициентом поглощения а:
a = Фэп/ Фэo
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:
ελ ; аλ .
Если эти величины относятся также и к определенной температуре Т тела, то ставится индекс:
ελ,Т и аλ,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:
аλ,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 Кирхгофа
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):
((ελ,Т)/(аλ,Т))‘ = ((ελ,Т)/(аλ,Т))» = … = ((ελ,Т)/(аλ,Т)) = (ελ,Т)ч , тогда как (аλ,Т)ч = 1.
Из закона Кирхгофа следует, что для волн определенной длины и при данной температуре излучательная способность тел прямо пропорциональна 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:
ελ,Т = аλ,Т (ελ,Т)ч.
Две последние величины устанавливаются экспериментально.
Излучательная способность черного тела определяется II и III законами теплового излучения.
Второй закон теплового излучения Стефана — Больцмана
II закон (Стефана — Больцмана): полная (по всему спектру) излучательная способность εТ абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:
εТ = σТ4.
Коэффициент пропорциональности о называется постоянной излученияи представляет собой количество энергии, излучаемой в 1 сек и с 1 см2 поверхности черного тела при температуре его 1°К.
По величине σ = 5,7•10-12 вт/(см2•град4) или 1,38•10-12 кал/(см2•сек•град4).
Третий закон теплового излучения Вина
III закон Вина для теплового излучения(законы теплового излучения закон Вина):
Длина волны λт, на которую приходится максимум излучательной способности черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре Т:
λт = 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 ελ излучения в относительных единицах и длиной волны при различных температурах Т.
Приближенно принимается, что излучение Солнца подчиняется законам Стефана — Больцмана и Вина.
Как применять законы теплового излучения
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 εТ черного тела:
ε’Т = аεТ = аσT4 = δТ4
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/(см2•сек•град4).
| Вещество | δ |
| Сажа | 1,28•10-12 |
| Известь | 1,25•10-12 |
| Алюминий шероховатый | 0,097•10-12 |
| Алюминий полирований | 0,072•10-12 |
| Серебро | 0,042•10-12 |
| Ткани | (1,1÷1,3)•10-12 |
| Кожа человека | 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 Еф или квант энергии, которое прямо пропорционально частоте v излучения:
Еф = 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 ελ,Т черного тела может быть выражена формулой
ελ,Т = ((2πhc2)/λ5) ((I)/ehc/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 εс = 8,4 •104 дж/(м2•мин) [1,93 кал/(см2•мин)].
Эта величина называется солнечной 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/(см2•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.
Для лечебных целей применяют лампы накаливания мощностью 500—600 вт, помещенные в специальном рефлекторе, укрепленном на штативе.
Такие лампы называют лампами солюкс (что означает «солнечный свет»). Из сказанного следует, что название не соответствует характеру излучения этих ламп.
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