ТЕПЛОВОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
Основные
экспериментальные
закономерности
Все знали, что нагретые тела излучают не только тепло, но и свет, но никто не знал, почему.
Ещё в середине XVII века флорентийские академики проводили опыты, доказывающие, что «холод», идущий от глыбы льда охлаждает шарик термоскопа.
«Зеркала Пикте». Отражение тепловых лучей вогнутыми зеркалами.
В. Гершель открыл невидимые «тепловые» лучи за красной частью видимого спектра.
1.Все тела обмениваются энергией излучения, причем более теплые тела охлаждаются, а более холодные — нагреваются. Целесообразно пользоваться двумя вогнутыми зеркалами, поставленными одно против другого на расстоянии нескольких метров. В фокусе одного из зеркал ставят измеритель излучения (термоэлемент). В фокусе другого сперва держат палец, потом сосуд, наполненный ледяной водой. В первом случае измеритель излучения покажет нагревание, во втором — охлаждение (в шутку можно сказать, что «излучается холод»).
2.Сила излучения резко возрастает при повышении температуры. Для демонстрации этого положения берут электрическую кастрюлю, снабжают ее термометром и ставят в качестве источника излучения («передатчика») на расстоянии около 1/2 м от измерителя излучения («приемника»).
3.При повышении температуры меняется спектральное распределение силы излучения. Любая проволока, если ее медленно нагревать электрическим током, дает последовательно невидимое излучение, воспринимаемое только как ощущение тепла, затем красное, желтое и, наконец, белое каление.
4.При одинаковых температурах тело, поглощающее свет, излучает больше, чем прозрачное тело. Чтобы продемонстрировать это, нагревают ряд различных тел одинаковой величины одинаковыми бунзеновскими горелками, дающими несветящееся пламя, и наблюдают свечение тел. Палочка из прозрачного стекла практически не поглощает видимого света и светит очень слабо. Палочка из цветного стекла поглощает часть видимого света и светит сильно.
Основные определения и величины.
Тепловое излучение – это
электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет своей
внутренней тепловой энергии.
Тепловое излучение – единственный вид
излучения, которое может находиться в равновесии с веществом.
Остальные виды электромагнитного излучения являются неравновесными и имеют общее название – люминесценция.
Излучение Физл , Вт
Поглощение
Фпогл , Вт
Равновесное тепловое излучение с
температурой Т, если
Физл Фпогл
Объемная плотность энергии излучения – (энергия в единице объема)
в интервале частот |
от до |
d |
dU u( ,T ) d , u( ,T ) спектральная плотность энергии излучения
Основные определения и величины.
Излучательная способность тела (спектральная плотность потока излучения) – r( ,T )
Поток энергии излучения, испускаемый элементарной площадкой по
всем направлениям в узком диапазоне частот от |
|
|
|||||
до |
d |
, обозначим |
dФ |
. |
dR dФ dS |
||
|
|
||||||
Поток энергии излучения с единицы поверхности |
|||||||
d |
: |
||||||
пропорционален ширине спектрального диапазона |
2 |
||||||
|
|
dR r( ,T ) dВт, м |
|
||||
|
|
|
|
||||
Интегральная энергетическая светимость – полный поток энергии излучения, испущенный единичной площадкой по всем направлениям в полупространство и просуммированный по всем частотам:
|
|
|
R r (T )dВт, |
м |
2 |
|
0
Основные определения и величины.
Поглощательная способность тела (коэффициент поглощения) –
отношение поглощенного потока к падающему потоку излучения в интервале
частот от до |
d |
Коэффициент поглощения реальных поверхностей зависит от частоты, от температуры, плотности вещества и от свойств поверхности.
a( ,T ) Фпогл Фпад ,0 a 1
αω,T 1
αT const 1
Спектральная поглощательная
способность тела: 1 абсолютно
черное тело; 2 серое тело; |
3 |
Закон Кирхгофа
|
В 1859 г. исходя из второго закона термодинамики, |
|
Кирхгоф сформулировал и доказал экспериментально |
|
один из основных законов теплового излучения. |
|
Для всех тел, находящихся в равновесии с излучением |
|
отношение испускательной способности тела к его |
|
поглощательной способности не зависит от природы |
Густав Роберт Кирхгоф |
тела, а определяется только его температурой и |
(1824 - 1899) |
частотой (длиной волны) излучения. |
r (T )
a (T ) u (T )
Тело1
r (T )
a (T )
|
f (T ) |
1 u (T ) c |
|
||
Тело2 |
|
4 |
спектральная плотность энергии равновесного теплового
излучения
В 1860 г. Кирхгоф доказал теоретически закон, который называют ещё Абсолютно чёрное тело – тело, поглощающее всю энергию, падающую на
теоремой Кирхгофа. Для доказательства он ввёл понятие абсолютно чёрного его поверхность.
тела.
Абсолютно черное тело
Такую модель излучающего тела предложил в 1860 г. Г. Р. Кирхгоф. Согласно Кирхгофу, абсолютно черное тело поглощает всю энергию, на него падающую. В результате оно нагревается и начинает излучать энергию.
С очень высокой степенью точности абсолютно черным телом можно считать полость с небольшим отверстием, в которое попадает электромагнитное излучение. В результате многократных неидеальных отражений энергия излучения полностью поглощается.
Спектр солнечного излучения представляет собой излучение абсолютно черного тела при Т = 6259 К.
Неужели
Солнце
абсолютно
черное?!
х
Отношение испускательной к поглощательной способности не зависит от
природы тела, |
оно является |
для всех тел |
одной и той |
же универсальной |
|
|
rω,T |
f ω,T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
функцией частоты и температуры: |
|
|
|||
|
αω,T |
|
– универсальная функция Кирхгофа |
||
|
|
|
|
|
|
|
Разлагая это |
излучение |
в спектр |
можно найти |
|
экспериментальный вид функции f(ω, T)