Теплове випромінювання

  Закони теплового випромінювання
 конспект 

Закон зміщення Віна

Теплове випромінювання - це результат перетворення внутрішньої енергії тіл в енергію електромагнітних коливань. При попаданні теплових променів (хвиль) на інше тіло, їх енергія частково поглинається ним, перетворюючись знову в внутрішню. Так відбувається променевий теплообмін між тілами.Теплообмін випромінюванням відбувається безупинно між тілами, довільно розташованими в просторі. Теплове випромінювання властиво всім тілам: твердим, рідким і газоподібним.

Теплове випромінювання як процес поширення електромагнітних хвиль характеризується довжиною хвилі λ та частотою коливань ν=с/λ, де с – швидкість світла у вакуумі.Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл неперервний. Ці тіла випускають промені, що різняться між собою довжиною хвилі λ, а отже, і своїми властивостями.

Розрізняють наступні види випромінювання: космічне, γ-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне й радіовипромінювання. У теплотехніку найбільший інтерес представляє теплове випромінювання при λ = 0,8 – 80 мкм. При температурах випромінюючого тіла до 1500° С таке випромінювання в основному інфрачервоне й частково видиме (λ = 0,4 – 0,8 мкм).Отже: тіла, нагріті до високої температури, набувають здатності світитися. Наприклад, розпечені тверді тіла випромінюють біле світло, яке має суцільний спектр частот. Із зниженням температури тіла зменшується інтенсивність його випромінювання, а у спектрі переважають довгі хвилі (червоні та інфрачервоні). При подальшому охолодженні тіло випромінює невидимі оком інфрачервоні промені.

Свічення тіл, зумовлене нагріванням, називається тепловим (температурним) випромінюванням.

Теплове випромінювання є найпоширенішим у природі. Воно здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів і молекул речовини, тобто за рахунок внутрішньої енергії і тому залежить від температури речовини.

Оточимо випромінююче тіло оболонкою з ідеально відбивальною поверхнею. Повітря з оболонки відкачаємо. Відбите оболонкою випромінювання, потрапляючи на тіло, поглинається ним (частково або повністю). Буде відбуватися неперервний обмін енергією між тілом і випромінюванням, яке заповнює оболонку.

Якщо обмін енергії між тілом і випромінюванням залишається незмінним при кожній довжині хвилі, стан системи тіло – випромінювання буде рівноважним.

Дослід показує, що єдиним видом випромінювання, яке може знаходитися в рівновазі з випромінюючими тілами, є теплове випромінювання.

Здатність теплового випромінювання знаходитись в рівновазі з випромінюючими тілами зумовлена тим, що його ін­тенсивність зростає при підвищенні температури. Порушення рівноваги в системі тіло – випромінювання викликає виникнення процесів, що відновлюють рівновагу.

Рівноважне випромінювання однорідне і неполяризоване, напрямки його поширення у порожнині рівноймовірні. Будь-яке випромінювання характеризується об’ємною густиною та спектральною густиною енергії випромінювання.

Об’ємна густина w енергії випромінювання дорівнює сумарній енергії одиниці об’єму електромагнітних хвиль усіх можливих частот (0≤ν≤∞). А спект­ральна густина енергії випромінювання дорівнює енергії одиниці об’єму електромагнітних хвиль вузького інтервалу частот ν, ν+Δν або інтервалу довжин хвиль λ, λ+Δλ. 

Тіло, яке здатне поглинати повністю при будь-якій температурі всю енергію електромагнітних хвиль, які падають на нього, незалежно від їх частоти, називається абсолютно чорним.

Закон Кірхгофа: відношення випромінювальної здатності тіла до його поглинальної здатності не залежить від матеріалу тіла; воно є для всіх тіл універсальною функцією частоти ν і температури Т.

1. Інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від температури і частоти визначається законом Планка: 

де І(ν) – потужність випромінювання на одиницю площі поверхні випромінювання в одиницю тілесного кута в діапазоні частот ν, ν+Δν .

2. Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана-Больцмана:

W = σT⁴

де W – потужність на одиницю площі поверхні випромінювання, а

σ ≈ 5,6704·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – постійна Стефана-Больцмана.

3. Довжина хвилі, при якій енергія випромінювання максимальна, визначається законом зсуву Віна:

λ_max = 0,002898/Т

де Т – температура (в кельвінах), λ_max – довжина хвилі з максмальною інтенсивністю (в метрах), а число 0,002898 називають сталою Віна (м·К).

Поняттям абсолютно чорного тіла широко користуються в астрофізиці. Випромінювання Сонця близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 6000К. Увесь Всесвіт пронизаний так званим реліктовим випромінюванням, близьким до випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою ≈3К. Порівняння повного випромінювання зірок з випромінюванням такого тіла, дозволяє наближено оцінити ефективну температуру зірки. Відхилення випромінювання зорі від випромінювання абсолютно чорного тіла часто буває досить помітним. У глибині Сонця та зірок, нагрітих до десятків мільйонів градусів, випромінювання з високою точністю відповідає такому випромінюванню.



Старе добре відео...