Механизм теплового излучения

Тепловое излучение – механизм возникновения, характеристики и законы – Помощник для школьников Спринт-Олимпик.ру

Механизм теплового излучения

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.
  • Тело, у которого j = 1 как раз и называется абсолютно чёрным. Но в природе таких объектов нет. Вещества коэффициент поглощения которых не зависит от частоты являются серыми. У них j < 1.

    Излучение реальных тел

    Все тела, температура которых превышает ноль по кельвину излучают электромагнитные волны. Происходит это за счёт внутренней энергии.

    Опыты показали, что в реальных телах наибольшее значение излучаемой энергии соответствует определённой длине волны. Эта зависимость хорошо описывается законом Вина.

    В 1893 году немецкий учёный смог построить экспериментальные кривые излучения тела для различных температур.

    В его графике по оси абсцисс были отложены длины волн, а ординат — испускаемая энергия. Оказалось, что при температуре 3 тыс. K максимум пришёлся на длину волны порядка 1,2 мкм.

    Если же тело нагревать, то пик будет смещаться в сторону коротких волн. Так, для 5 тыс. K он составит 0,7 мкм. Это излучение уже становится видимым для человеческого глаза. При 6 тыс.

    K излучение сместится в жёлтую часть спектра и примерно составит 500 нм.

    Полученные данные были систематизированы. В итоге учёный вывел формулу: J = b / T. Где:

    • b — постоянная Вина (2,9 * 10-3 m * K);
    • T — абсолютная температура тела.

    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 1000С, 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 * T4. Где:

    • T — Абсолютная температура в кельвинах [K];
    • σ – постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10-8 Вт / (м2 * К);
    • R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м2].

    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.

    ПредыдущаяСледующая

    Источник: https://Sprint-Olympic.ru/uroki/fizika/126188-teplovoe-izlychenie-mehanizm-vozniknoveniia-harakteristiki-i-zakony.html

    Тепловое излучение – механизм возникновения, характеристики и законы

    Механизм теплового излучения

    Тепловое излучение тел

    Механизм теплового излучения

    Декабрь 2000 года стал юбилейным годом возникновения квантовой физики и открытия постоянной Планка. Именно Макс Планк сумел выявить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, чего классическая физика так и не смогла сделать. Он высказал гипотезу о колебательной системе, которая стала основным толчком для создания квантовой физики.

    Температурное излучение

    Источник, который излучает свет, забирает энергию. Существует большое количество механизмов, подводящих энергию к источнику света.

    Определение 1

    Когда такая энергия сообщается с помощью нагревания, ее принято называть тепловым или температурным излучением.

    Изучение данного случая вызвало у физиков интерес, так как излучение могло находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

    После изучения закономерностей ученые хотели найти связь между термодинамикой и оптикой.

    При помещении нескольких тел в замкнутую полость с зеркальными стенками, которые имеют разную температуру, то из опыта было установлено, что вся система со временем приходит к тепловому равновесию.

    То есть при обмене энергией они испускают и поглощают ее.

    Равновесное состояние говорит о том, что эти процессы компенсируются, а плотность энергии доходит до определенного значения, которое зависит только от установленной температуры тел замкнутого пространства.

    Определение 2

    Излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с определенной температурой, получило название равновесного или черного излучения. Плотность энергии и спектральный состав зависят от температуры.

    При осмотре полости отверстия с установленным термодинамическим равновесием между излучением и нагретыми телами, глаза не смогут четко увидеть очертания тел и будет зафиксировано лишь свечение полости.

    Определение 3

    Если одно из тел полости может поглощать всю энергию любого спектрального состава, то тело называется абсолютно черным.

    Заданная температура с тепловым излучением такого тела находится в состоянии теплового равновесия и имеет тот же спектральный состав, что и равновесие, которое его окружает. Иначе его установление было бы невозможно.

    Поэтому задачи сводятся к исследованию спектрального состава абсолютно черного тела. Решить эту задачу классическая физика не может.

    Чтобы равновесие было установлено в полости, необходимо испускание такого количества энергии, какое поглощают тела. Это является важнейшей закономерностью теплового излучения. Поэтому при заданной температуре абсолютно черное тело испускает больше энергии, чем другое тело, за промежуток времени.

    Абсолютно черные тела в природе не существуют. Имеется наглядная модель с отверстием в замкнутой полости, изображенная на рисунке 5.1.1.

    Рисунок 5.1.1. Модель абсолютно черного тела.

    Свет проникает через отверстие и с помощью отражений поглощается стенками, поэтому снаружи кажется совершенно черным. При разогревании полости до определенной температуры Т внутри устанавливается тепловое равновесие. Тогда излучение, выходящее через отверстие, можно отнести к изучению абсолютно черного тела. Исходя из рисунка, видно, как моделируется данное явление.

    При увеличении температуры внутри полости энергия возрастает, спектральный состав изменяется.

    Определение 4

    Распределение энергии по длинам волн при излучении абсолютно черного тела с температурой Т характеризуется излучательной способностьюr (λ, T), равняющейся мощности излучения с единицы поверхности тела на единицу интервала.

    Излучение черного тела

    Определение 5

    Формула мощности излучения равняется произведению r (λ, T) Δλ, которое испускается единичной площадкой поверхности по всем направлениям в промежутке Δλ длин волн. Таким же образом вводится распределение энергии по частотам r (ν, T).

    Опиши задание

    Определение 6

    Функция r (ν, T) (или r (ν, T)) получила название спектральной совместимости, а полный поток излучения R (T) всех волн

    R(T)=∫0∞r (λ, T) dλ=∫0∞r (ν, T) dν – называется интегральной светимостью тела.

    Конец ХХ века – это было время экспериментальных изучений. В 1879 году Йозеф Стефан проводил исследования.

    Определение 7

    Путем анализа Стефан пришел к заключению, что интегральная светимость R (T)абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т: R(T)=σT4.

    В 1884 году Л. Больцман обнаружил данную зависимость. Такой закон получил название Стефана-Больцмана.

    Числовая постоянная имеет запись в виде σ=5,671·10-8 Вт/м2·К4.

    Рисунок 5.1.2. Спектральное распределение r (λ, T) излучения черного тела при различных температурах.

    Конец 90-х относят к времени, когда тщательно проводились замеры спектрального излучения, показавшие, что явную зависимость Т от r (λ, T). Из рисунка 5.1.2 видно, что она имеет выраженный максимум. При увеличении температуры он будет смещаться в область коротких волн. А значение произведения Т и λmостанется неизменными, поэтому формула примет вид

    λmT=b или λm=bT.

    Определение 8

    Ранее Вин получил это соотношение из термодинамики, которое характеризует закон Вина для теплового излучения: длина волны λm, которая получает максимум энергии излучения черного тела, обратно пропорциональна Т.

    Определение 9

    Постоянная Вина записывается как b=2,898·10-3 м·К.

    Излучательная способность абсолютно черного тела

    Лабораторные условия позволяли проводить практические исследования излучательной способности r (λ, T), лежащей в инфракрасной области.

    Чтобы максимум попал в видимую часть спектра, необходимо выполнение условия T≥5·103. Солнце излучает максимум энергии на 470 нм, определяемой зеленой областью спектра.

    Происходит соответствие температурных режимов своем Солнца, равных 6200 К, при рассмотрении его как абсолютно черного тела.

    После введения законов Стефана-Больцмана и Вина получилось изобразить кривую спектрального распределения излучения черным телом r (λ, T). Д. Релей решил проблему о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия, основываясь на своих суждениях.

    Определение 10

    Позднее Джинс сумел получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры, которая записывалась как r λ, T=8πkTλ-4. Данное соотношение получило название формулы Релея-Джина.

    Она применяется только для длинных волн, как показано на рисунке 5.1.3. Таким образом следует вывод, что интегральная светимость R (T) черного тела обращается в бесконечность, то есть произойдет равновесие между нагретым телом и излучением замкнутой полости.

    Рисунок 5.1.3. Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T=1600 К.

    Отсюда следует, что опыт имеет множество противоречий. Для решения задачи М. Планк основывался на классической физике.

    Определение 11

    Исследования показали, что энергия излучения и её поглощение нагретыми телами происходит с перерывами, так называемыми квантами.

    Определение 12

    Квантом называют минимальную порцию энергии, которая излучается или поглощается телом.

    Определение 13

    Следуя закону Планка для теплового излучения, получаем, что энергия кванта Е прямо пропорциональна частоте света, то есть E=hν, где h является постоянной Планка, имеющая значение h=6,626·10-34 Дж·с. Она является универсальной константой квантовой физики.

    Гипотеза о прерывистом характере процессов излучения и поглощения излучения дала толчок на получение формулы спектральной совместимости абсолютно черного тела. Имеется форма записи формулы Планка, выражающая распределение энергии, исходя из частот, а не по длинам волн.

    r ν, T=2ν2c2hνehν/kT-1.

    Значение с принимает скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

    Определение 14

    Если частоты различные, то для описания спектрального распределения излучения черного тела подойдет формула Планка для теплового излучения. Из нее выводится закон Стефана-Больцмана и Вина для теплового излучения. Если выполняется условие hν≪kT, тогда происходит переход к формуле Релея-Джинса.

    Решение проблемы излучения черного тела говорило о появлении новой эры в физике, ученым пришлось отказаться от классических представлений для понятия квантования.

    Рисунок 5.1.4. Модель излучения абсолютно черного тела.

    Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/kvantovaja-fizika/teplovoe-izluchenie-tel/

    Медицина и здоровье
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: