41. Законы теплового излучения.

Как известно, носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с длиной волны от малых долей микрона до многих километров. В зависимости от диапазона длин волн такие излучения известны под разными названиями: рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные лучи, радиоволны.

Для нас наибольший интерес представляют те лучи, возникновение которых определяется только температурой и оптическими свойствами излучающего тела. Такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи, т. е. лучи с длиной волны приблизительно от 0,5 до 800 мкм. Эти лучи и называют тепловыми, а процесс их распространения — тепловым излучением. Природа тепловых и световых излучений одна и та же. Разница между ними лишь в длине волны; световые лучи имеют длину волны 0,4—0,8, а тепловые 0,8—800 мкм. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию. В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным превращением энергии (тепловая—лучистая—тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой температуре этих тел вся система находится в так называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. В этом случае все тела системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расходу.

Виды лучистых потоков. Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в единицу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока излучения E, Вт/м2: E=dQ/dF

Поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи различных длин волн, поэтому эти характеристики излучения также называются интегральными. Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от λ до λ + dλ, называется монохроматическим. Qa+Qr+Qd=Q0 (Q0- всё количество энергии, Qa- падающая, Qr- отражающая, Qd – проходит сквозь тело).Qa/Q0+Qr/Q0+Qd/Q0=1; или A+D+R=0.A - поглощательная способность, R- отражательная способность, D- пропускательная способность. Если А = 1, то R = О и D = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными. Если R = 1, то А = 0 и D = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается. При этом если отражение правильное, тела называются зеркальными; если же отражение диффузное — абсолютно белыми. Если D = 1, то А = О и R = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью проходит сквозь тело. Такие тела называются прозрачными или диатермичными. З акон Планка. Собственное излучение Е1 — это количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени для всех длин волн от λ = 0 до λ = . Величина Е_λ представляет собой отношение плотности потока излучения, испускаемого в интервале длин волн от λ до λ + dλ, к рассматриваемому интервалу длин волн Е_λ=dE/dλ и называется спектральной плотностью потока излучения. Закон изменения спектральной плотности потока излучения от длины волны и температуры для абсолютно черного тела Планку удалось установить теоретически: E_0λ= где λ- длина волны, м; Т- абсолютная температура тела, К; c1 и с2 — постоянные излучения, соответственно равные 3,74*10 ^-16 Вт*м2 и 1,44*10 ^-2 м*К. Закон Стефана —Больцмана. Он устанавливает зависимость плотности потока интегрального излучения от температуры.E0=δ0*T⁴ где δ0- пост. Стефана—Больцмана, равна 5,67*10 ^-8 Вт/(м2*К4). В технических расчетах этот закон применяется в более удобной форме: E0=C0(T/100)⁴ . Сопоставляя плотность потока собственного излучения тела с плотностью потока излучения абсолютно черного тела при той же температуре, получаем другую характеристику тела, которая называется степенью черноты ξ: ξ=E/E0=C/C0 Закон Кирхгофа. Закон Кирхгофа устанавливает связь между собственным излучением тела и его поглощательной способностью. Эту связь можно получить из рассмотрения лучистого обмена между двумя поверхностями. Пусть имеются две поверхности, одна из которых — абсолютно черная. Расположены они параллельно и на таком близком расстоянии, что излучение каждой из . них обязательно попадает на другую. Температуры, собственное излучение, поглощательные способности этих поверхностей соответственно равны Т ,E,A,То, Ео и Ао = 1, причем Т>Т0. Составим энергетический баланс. Eрез=q=E-AE0 Взаимное тепловое излучение между поверхностями происходит и при Т = То. В этом случае система находится в термодинамическом равновесии и q = 0.E/A=E0 (при термодинамическом равновесии отношение собственного излучения к поглощательной способности для всех тел одинаково и равно собственному излучению абсолютно черного тела при той же температуре.) C1/A1=C2/A2=…C0 , C1=A1*C0,…,A1=ξ1,A2=ξ2…Из закона следует (при термодинамическом равновесии поглощательная способность и степень черноты тела численно равны.) (собственное излучение тел тем больше, чем больше их поглощательная способность.) Закон Ламберта. Законом Стефана—Больцмана определяется количество энергии, излучаемое телом по всем направлениям. Каждое направление определяется углом φ, который оно образует с нормалью к поверхности. Изменение излучения по отдельным направлениям определяется законом Ламберта. Согласно этому закону количество, энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 в направлении элемента dF2 , пропорционально количеству энергии, излучаемой по нормали E _ndFl умноженному на величину элементарного телесного угла dΩ и cos φ, т. е. d²Q_φ=E_ndΩ*cosφ dE1 .