5.7. Тепловое излучение тел

Свечение тел при их нагревании называется тепловым (температурным) излучением. Во всяком веществе при Т>0^оК тепловое излучение случается за счёт его внутренней энергии, т.е. за счёт теплового движения атомов и молекул. Тепловое излучение – практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Тепловое излучение имеет сплошный спектр. При низкой температуре – тепловое излучение является в основном инфракрасным, при высокой температуре – видимым и ультразвуковым.

Всякое тело, излучая само, вместе с тем поглощает часть энергии, от окружающих тел, которые излучают. Процесс поглощения ведёт к нагреванию тела. В конце концов наступает равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой теплового равновесия. Тепловое равновесие является обычным состоянием тел, представленных самим себе.

Тепловое излучение и поглощение также могут быть объяснены только на основе квантовых представлений.

М. Планк получил формулу для спектральной излучательной способности абсолютно черного тела – тела поглощающего все виды попадающего на него излучения.

,

где λ – длина волны, Т – термодинамическая температура, с – скорость света в вакууме, k= 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Формула полностью подтверждает экспериментальные данные, полученные другими учеными, в частности из нее следуют:

Закон Стефана-Больцмана: полная испускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры

,

где σ= 5,67*10^-8 Вт/м²К⁴ – постоянная Стефана-Больцмана.

Закон Вина: длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре

,

где b= 2,8979*10^-3 мК – постоянная Вина.

Характер распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела сохраняется для любых тел, хотя их излучательная способность меньше. Излучательная и поглощательная способность тел связана между собой следующим образом:

Отношение излучательной способности к поглощательной способности любого тела при данной температуре не зависит от их природы и равно излучательной способности абсолютно черного тела (закон Кирхгофа)

.

То есть, всякое тело поглощает преимущественно излучение, которое и может излучать.

5.8. Теплоотдача организма

Тело человека имеет определенную температуру благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения). Распределение отдаваемого (получаемого) количества тепла между перечисленными процессами точно указать невозможно, так как оно зависит от многих факторов: состояния организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т.п.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и т.д.), одежды (материал, форма, толщина). Однако можно сделать приближенную оценку фиксируя эти параметры, используя закон Стефана-Больцмана для неравновесного излучения.

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 охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела и определение их температуры является диагностическим методом, называемым термографией. Этот метод абсолютно безвреден и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.

Определение температуры поверхности тела при термографии, в основном, осуществляется двумя методами. В одном используются индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая индикатор на тело больного можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры. Другой метод, более распространенный, основан на использовании тепловизоров. Тепловизор – это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, и преобразовывать его в оптический диапазон, который воспроизводится на экране.