Тепловое излучение тел. Характеристики теплового излучения. Черное и серое тела. Закон Кирхгофа.
Тепловое излучение – это излучение нагретых тел. Оно возникает при любых температурах выше 0К, поэтому испускается всеми телами.
Характеристики теплого излучения:
Поток
излучения (
)
– энергия, излучаемая с поверхности
тела за единицу времени:
Поток
излучения, испускаемый на 1
,
называют энергетической
светимостью
.
Она выражается в ваттах на квадратный
метр.
Спектральная
плотность энергетической светимости
(
)
– отношение энергетической светимости
узкого участка спектра к ширине этого
участка, измеряется в
.
Где
–
часть всей энергетической светимости
,
которая приходится на интервал
.
Способность
тела поглощать энергию излучения
характеризуется коэффициентом
поглощения (
).
Т.к. коэффициент поглощения зависит от
длины волны, то записывают для потоков
монохроматического излучения, и тогда
это отношение определяет монохроматический
коэффициент поглощения.
Коэффициенты поглощения могут принимать
значения от 0 до 1.
Тело, коэффициент поглощения которого равен 1 для всех длин волн, называют черным телом.
Тело, коэффициент поглощения которого меньше 1 для всех длин волн, называют серым телом.
Закон Кирхгофа устанавливает связь между коэффициентом поглощения и спектральной плотностью энергетической светимости (проще говоря, между излучаемым теплом и поглощаемым): при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в т.ч. и черных:
=
Следствия закона Кирхгофа:
- при одинаковой температуре любое тело излучает всегда меньше энергии, чем черное тело;
- если тело не поглощает какое-либо излучение , то оно и не излучает его.
Законы излучения черного тела: формула Планка, закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина.
М
одель
черного тела. Стенки полости зачернены.
Планк высказал гипотезу, что черное тело поглощает излучение не непрерывно, а определенными порциями – квантами.
Закон
Стефана-Больцмана:
энергетическая светимость черного тела
пропорциональна четвертой степени его
термодинамической температуры.
Величину
называют
постоянной Стефана-Больцмана.
Она равна
.
=
Закон Стефана-Больцмана качественно иллюстрируется на печах, электроплитах: по мере их нагревания излучение усиливается.
Закон смещения Вина - длина волны, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела.
=
Закон смещения Вина иллюстрируется бытовым путем: тела в норме находятся в инфракрасном спектре и не видны человеческому взгляду, но при нагревании тела начинают светиться темно-красным, а затем белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.
Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют определять температуры тел, регистрируя их излучение (оптическая пирометрия).