Характеристики теплового излучения

Тепловое излучение тел

Основные вопросы темы:

1. Характеристики теплового излучения.

2. Законы теплового излучения (закон Кирхгофа, закон Стефана-Больцмана, закон Вина); формула Планка.

3. Физические основы термографии (тепловидения).

4. Теплоотдача организма.

Любое тело при температурах выше абсолютного нуля (0 К) является источником электромагнитного излучения, которое называют тепловым излучением. Оно возникает за счет внутренней энергии тела.

Диапазон длин электромагнитных волн (спектральный диапазон), излучаемых нагретым телом, очень широк. В теории теплового излучения часто считают, что здесь длина волны меняется от 0 до ¥.

Распределение энергии теплового излучения тела по длинам волн зависит о его температуры. При комнатной температуре почти вся энергия сосредоточена в инфракрасной области шкалы электромагнитных волн. При высокой температуре ( 1000°C) значительная часть энергии испускается и в видимом диапазоне .

Характеристики теплового излучения

1. Поток (мощность) излучения Ф (иногда обозначается буквой Р) – энергия, излучаемая за 1 сек со всей поверхности нагретого тела по всем направлениям в пространстве и во всем спектральном диапазоне:

, в СИ . (1)

2. Энергетическая светимость R – энергия, излучаемая за 1 сек с 1 м² поверхности тела по всем направлениям пространстве и во всем спектральном диапазоне. Если S – площадь поверхности тела, то

, , в СИ , (2)

Очевидно, что .

3. Спектральная плотность энергетической светимости r_λ- энергия, излучаемая за 1 сек с 1м² поверхности тела по всем направлениям на длине волны λ в единичном спектральном диапазоне , [r_λ]→

Рис. 1

Зависимость r_l от l называют спектром теплового излучения тела при данной температуре (при Т = const). Спектр дает распределение излучаемой телом энергии по длинам волн. Он показан на рис. 1.

Можно показать, что энергетическая светимость R равна площади фигуры, ограниченной спектром и осью (рис. 1).

4. Способность нагретого тела поглощать энергию внешнего излучения определяется монохроматическим коэффициентом поглощения а_l,

, (3)

т.е. а_l равноотношению потока излучения с длиной волны l, поглощенного телом, к потоку излучения той же длины волны, упавшему на тело. Из (3.) следует, что а_l – величина безразмерная и .

По типу зависимости а от l все тела делятся на 3 группы:

1). Абсолютно черные тела:

для них коэффициент поглощения а = 1 на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 1), т.е. абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение. “Абсолютно черных” тел в природе нет, моделью такого тела может являться замкнутая непрозрачная полость с маленьким отверстием (рис. 2). Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок будет практически полностью поглощен.

К абсолютно черному телу близко солнце, его Т = 6000 К.

2). Серые тела: их коэффициент поглощения а < 1 и одинаков на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 2). Например, серым телом можно считать тело человека в задачах теплообмена с окружающей средой.

3). Все остальные тела:

для них коэффициент поглощения а < 1 и зависит от длины волны, т.е. а_l = f(l), эта зависимость представляет собой спектр поглощения тела (рис. 3, 3).