Лекция Тема 7. Тепловое излучение тел.

Тепловое излучение – один из двух процессов, посредством которых тепло может распространяться в покоящихся средах. Одним таким процессом является конвекция или переход тепла через теплопроводность.

Рис. 7.1.	Процесс испускания телами электромагнитных волн, а также частичное поглощение
падающих на тела волн называют лучистым теплообменом или теплообменом излучения.

Процесс испускания телами электромагнитных волн, а также частичное поглощение падающих на тела волн называют лучистым теплообменом или теплообменом излучения. Процесс может происходить даже в вакууме.

Данное излучение происходит за счет внутренней (тепловой) энергии и зависит только от температуры и оптических свойств тела и называется тепловым. Этот вид излучения происходит при всех температурах и может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами. Если несколько нагретых излучающих тел окружить идеально отражающей оболочкой, то внутри оболочки установится термодинамическое равновесие, то есть температуры всех тел станут равными, а распределение энергии между телами и излучением не будет изменяться со временем. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и характеристики излучения зависят только от установившейся температуры тел. Такое излучение тела, находящееся в термодинамическом равновесии с другими телами, имеющими одинаковую температуру, называется равновесным или черным излучением.

Термодинамическое равновесие установится и в полости, стенки которой выполнены из любого реального материала и

Рис. 7.2.

поддерживаются при некоторой неизменной температуре. Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающим телом отличает тепловое излучение от других видов излучения тел.

Природа тепловых лучей тождественна с природой лучей видимого света и все факты, относящиеся к отражению, распространению и преломлению видимых лучей полностью переносятся на тепловое излучение.

Введем некоторые характеристики теплового излучения.

Энергетическая светимость R(Т)- это полная энергия электромагнитного излучения, испускаемая единицей поверхности тела во всех направлениях в единицу времени, или это мощность излучения с единицы поверхности тела. Этот полный поток энергии излучения всех волн называют также интегральной светимостью тела. Согласно определению,

R(T) =

где dP_исп – мощность излучения, dS элемент излучающей поверхности.

Испускательная способность определяет мощность излучения с единицы площади поверхности в узком диапазоне частот или длин волн r(ν, T), r(λ, T). Функции r(λ, T), r(ν,T)) также называют спектральной плотностью энергетической светимости:

r( ; r( .

Соответственно, связь энергетической светимости и испускательной способности тела записывается следующим образом:

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется поглощательной способностью а(ν,Т), это - отношение поглощенной энергии в интервале частот от ν до (ν+dν) к общему количеству энергии падающего излучения в том же интервале в единицу времени:

a( = .

Поглощательная способность - это безразмерная величина.

Испускательная и поглощательная способности зависят от частоты излучаемых и поглощаемых волн, температуры тела, его химического состава и состояния поверхности. Все тела частично поглощают и частично отражают падающее на них излучение. Абсолютно черным телом называют тело, поглощающее все падающее на него излучение во всем диапазоне частот. Поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице при любой температуре T .

Физической моделью абсолютно черного тела является небольшое отверстие в сферической полости (рис. 7.3).

Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после поглощения и отражения стенками такой системы практически полностью поглощается, и отверстие снаружи будет казаться совершенно черным.

Рис. 7.3.

Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела.

Абсолютно черных тел в природе не бывает. В природе к абсолютно черному телу по свойствам близки: сажа, черный бархат, черная шерсть животных, поглощающие свойства которых обусловлены их пористостью. От таких тел падающее излучение не отражается из-за многократного переотражения в микрополостях и последующего рассеяния.

Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала, из которого сделано тело и состояния его поверхности

У реальных тел поглощательная способность меньше единицы и зависит от частоты.

Основные законы теплового излучения

Закон Кирхгофа

Кирхгоф установил количественное соотношение между испускательной и поглощательной способностями: отношение испускательной и поглощательной способности не зависит от природы тела, а является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел:

… = f( ,

г де функция f(ν,T) называется универсальной функцией Кирхгофа.

Этот закон является следствием того факта, что для теплового равновесия количества поглощаемой и излучаемой телом энергии должны быть равны для всех диапазонов частот.

Закон справедлив для любого тела, в том числе и для абсолютно черного. Поскольку у черного тела поглощательная способность равна единице, то:

.

Т аким образом, универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела. Из закона Кирхгофа следует, что испускательная способность любого тела меньше, чем абсолютно черного.