- •«Тепловое излучение тел и фотоэффект» Введение
- •1. Характеристики теплового излучения
- •Понятия абсолютно черного тела и серого тела.
- •Закон Кирхгофа.
- •Экспериментальные законы теплового излучения абсолютно черного тела.
- •Теория теплового излучения тел Планка. Формула Планка
- •Излучение Солнца.
- •Тепловое излучение тела человека. Роль теплового излучения в процессах теплообмена организма с окружающей средой. Понятие о термографии.
- •Фотоэффект. Фотоэлектрические устройства в медицине и биологии
- •Фотоэлектрические устройства.
Тепловое излучение тела человека. Роль теплового излучения в процессах теплообмена организма с окружающей средой. Понятие о термографии.
Тело человека и других теплокровных животных поддерживается при определенной температуре благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой.
Температура окружающей среды ниже температуры тела человека. Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и лучеиспускания (поглощения). Распределение отдаваемого количества теплоты между перечисленными процессами зависит от многих факторов, таких как состояние организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и так далее), состояние окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и тому подобное), одежда (форма, цвет, толщина). Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15 - 20% теплоотдачи человека происходит конвекцией.
Испарение происходит с поверхности кожи и легких, этим путем осуществляется около 30% теплопотерь.
Наибольшая доля теплопотерь (~ 50%) приходится на излучение во внешнюю среду от открытых частей тела и одежды.
Для вычисления этих потерь сделаем два основных допущения:
1 - излучаемые тела (кожа, ткань одежды) примем за серые. Это позволяет использовать формулу (11).
Назовем приведенным коэффициентом излучения. Тогда формулу (11) запишем так:
E с.т. = T4. (16)
Приведем коэффициенты поглощения и приведенный коэффициент излучения для некоторых тел:
|
|
108 вт/м2к4 |
кожа человека |
0,90 |
5,1 |
шерсть, шелк |
0,76 |
4,3 |
хлопчатобумажная ткань |
0,73 |
4,2 |
2 - применим закон Стефана-Больцмана к неравновесному излучению тела человека.
Если раздетый человек, поверхность тела которого имеет температуру T1, находится в комнате с температурой T0, то его потери излучением могут быть вычислены следующим образом. В соответствии с формулой (2) человек излучает со всей открытой поверхности тела площади S мощность
Ф1 = ST14. (17)
Одновременно человек поглощает часть излучения, попадающего от предметов комнаты, стен, потолка и тому подобное. Если бы поверхность тела человека имела бы температуру, равную температуре воздуха в комнате, то излучаемая и поглощаемая мощности были бы равны и одинаковы:
Ф0 = ST04.
Такая же мощность будет поглощаться телом человека и при других температурах поверхности тела. На основании двух последних равенств получаем мощность, теряемую человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения:
Ф = Ф1 - Ф0 = S (T14 - T04).
Для одетого человека под T1 следует понимать температуру поверхности одежды.
Одежда вносит существенный вклад в уменьшение теряемой человеком тепловой энергии. Например, при температуре окружающей среды 180 С (291 К) раздетый человек, температура поверхности кожи которого ~330 С (306 К), теряет ежесекундно посредством излучения с площади 1,5 м2 следующую энергию:
Ф = 1,5 5,1 10-8 (3064 - 2914) 122дж/сек.
При той же температуре окружающей среды в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 240 С (297 К), ежесекундно теряется посредством излучения энергия, равная:
Фод. = 1,5 4,2 10-8 (2974 - 2914) 37 дж/сек.
Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела человека, в соответствии с законом Вина, попадает на длину волны ~9,4 мкм (ИК-область спектра).
Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (T4) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами.
Продифференцируем уравнение (16):
dEС.Т.= 4 Т3 dt.
Разделив это выражение на dt, получим:
Это означает, что относительное изменение энергетической светимости больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в 4 раза. Так, если температура поверхности тела человека изменится на 30 С, то есть ~на 1%, то энергетическая светимость изменится на 4%.
У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру. Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является диагностическим методом. Такой метод, называемый термографией, находит всё более широкое применение в клинической практике. Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.