15_Teplovoe_izluchenie
.docxТепловое излучение
Первое представление о тепловом излучении связано со следующими наблюдениями: тела, нагретые до определенных, достаточно высоких температур – светятся.
Теории: Максвелла; молекулярно-кинетическая; все тела состоят из молекул; молекулы находятся в непрестанном движении и взаимодействии.
WКИН МОЛ + WПОТ МОЛ = WВНУТР
Тепловое излучение – это излучение ЭМ волн, за счет внутренней энергии тела.
Основные свойства теплового излучения:
1. Интенсивность. Излучают все тела и при любой температуре, выше абсолютного нуля.
2. Одновременность процессов излучения и поглощения
3. Стремление к тепловому равновесию.
Количественные характеристики теплового излучения
Процесс излучения:
-Полная излучательная способность (лучеиспускательная способность/энергетическая светимость)
EТ = W/t*S; [EТ] = [Вт/м2]
Это энергия, излучаемая за единицу времени, с единицы площади поверхности данного тела, при данной температуре и на всех длинах волн.
-Спектральная излучательная способность (спектральная плотность излучения)
EλT = dET/dλ; [EλT] = [Вт/м3]
ET = λT*dλ – связь м/у ET и EλT
Это энергия, излучаемая за единицу времени с единицы площади поверхности, при данной температуре, на данной длине волны.
EλT
S=EТ
λ
Процесс поглощения:
-Полная поглощательная способность (коэффициент поглощения)
ET ПАД ET ОТР
ET ПОГЛ
AT = ЕТ ПОГЛ / ET ПАД
AT – безразмерная величина
-Спектральная поглощательная способность
AλT = EλT ПОГЛ / EλT ПАД
AλT – безразмерная величина
0≤ AT ≤1
0≤ АλT ≤1
АλT
1
λ
На разные длины волн поглощательная способность разная.
Абсолютно черное тело. Серые тела.
Абсолютно черным называется тело, у которого спектральная поглощательная способность одинакова на всех длинах волн и равна 1.
Также, это тело, которое поглощает все падающее излучение и ничего не отражает.
Для экспериментального исследования теплового излучения была предложена модель черного тела, которая представляет собой узкое отверстие, попадая в которое лучи многократно отражаются.
EλТ = f(λ; t)
Серое тело – это тело, спектральная поглощательная способность которого одинакова на всех длинах волн, но меньше 1.
Тело человека считают серым в ИК-области (AλT = 0.9).
ACλT = const ACT = const
ACλT <1 ACT <1
Закон Кирхгофа (1859)
При тепловом равновесии, отношение спектральной излучательной способности к спектральной поглощательной способности одинаково, для всех тел, и является одной и той же универсальной функцией длины волны и температуры.
1т 2т
Черн
(EλT / AλT)1Т = (EλT / AλT)2Т =…= (EλT / AλT)черн = f(λ; t) – функция Киргхофа
т.е. AλTчерн = 1.
EλT / AλT = ЕλTчерн/1 EλT = AλT*EλT – 1 следствие
-если AλT=0, то EλT = 0 (если тело не поглощает волны определенной длины, то оно и не излучает вол такой длины).
-у любого, нечерного тела: AλT <1 EλT< ЕλTчерн
Закон Кирхгофа справедлив для серых тел, и для полных излучательных способностей.
EТСЕР = AТСЕР * EТчерн
Доказательство:
ЕТ = λТ *dλ
EТСЕР =λТсер*dλ=λТсер * ЕλТчерн *dλ = AλТсерλТчерн *dλ = ATсер*EТчерн
Отметим, что f(λ; t) – функция Кирхгофа – Киргоф не дал аналитического выражения функции. И эта зависимость: EλTчерн = f(λ; t) была получена экспериментально на модели черного тела.
EλT
T2
T1
λ
λE max2 λE max1
T2>T1
C повышением T, энергии излучается больше излучательная способность больше. Смещается максимум.
Закон Стефана-Больцмана
1879/1884 – EТчерн = σ*T4, где σ – постоянная Стефана-Больцмана
Полная излучательная способность абсолютно черного тела, прямопропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.
Закон Вина (закон смещения Вина)-1983
λE, T max – b/T
Длина волны, на которую приходится max спектр излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре.
Максимум спектральной кривой смещается в сторону более короткой длины волны.
При повышении температуры, в видимой области, свет светящегося тела меняется от красного до белого.
Нахождение аналитического выражения функции Кирхгофа. Формула и выражение Планка.
Гипотеза о квантах излучения – 1900 г. – дискретный характер излучения.
ε = hν – гипотеза Планка
f(λ; t) = (2πhC2/λ5) * (1/ehc/λkT -1), где k – постоянная Больцмана
Тепловое излучение – это излучение квантов атомами и молекулами, возбужденными при их соударении в процессе теплового движения, т.е. за счет внутренней энергии.