Лекция 6 Тепловое излучение
Области ИК диапазона. Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 мкм примерно до 700 мкм. Верхняя граница ИК диапазона определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн (см. рис. 1). Весь диапазон ИК излучения часто делят на три поддиапазона (табл.1).
Области ИК диапазона
ИК излучение не воспринимается человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК излучение называют тепловым излучением (тепловыми лучами). Инфракрасные лучи открыты английским астрономом В. Г. Гершелем в солнечном спектре.
Русский физик А.А. Глаголева-Аркадьева с помощью массового излучателя получила в 1923 г. электромагнитные колебания с длиной волны от 50 мм до 80 мкм. Таким образом, был перекрыт широкий диапазон длин волн, соответствующий колебательно-вращательным уровням молекул. Они обладают сложными энергетическими уровнями и имеют набор дискретных электронных εэл, колебательных εк, колебательно-вращательных εкол—вр и чисто вращательных εвр уровней. Полная энергия молекул εмол определяется этим набором уровней:
(1)
При соответствующем переходе с одного уровня на другой уровень испускается квант излучения определенной энергии (частоты) hv. Чем больше разность энергии уровней (ε1, ε2), тем выше частота v21 излучения:
(2)
где v21 – частота излучения при переходе с уровня 2 на уровень 1 (ε2>ε1); h – постоянная Планка.
Среди ИК спектров различают линейчатые, полосатые и непрерывные.
Линейчатые (атомные) ИК спектры испускают возбужденные атомы и молекулы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии. Полосатые (молекулярные) ИК спектры возникают при переходах между колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены, в основном, в средней области ИК диапазона. Чисто вращательные спектры располагаются, главным образом, в далекой области ИК диапазона. Непрерывный ИК спектр излучают все нагретые тела. Например, максимум теплового излучения тела человека приходится на длину волны 10 мкм, что соответствует средней области ИК. Непрерывный (сплошной) спектр обусловлен тем, что в конденсированном состоянии в жидкостях и твердых телах происходит сильное взаимодействие молекул и атомов, что приводит к размытию дискретных энергетических уровней и образованию сплошных спектров излучения.
Закон Стефана–Больцмана. Замкнутая полость тела, поддерживаемая при постоянной температуре, обладает электромагнитным равновесным излучением как в отношении общей плотности энергии, так и в отношении спектрального распределения. Такое состояние определяется только от температуры полости и не зависит от материала стенок. При постоянной температуре стенок.
Источники ИК излучения. Источники ИК излучения можно разделить на две группы: естественного и техногенного происхождений. Главным естественным источником ИК излучения в биосфере является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца ≈ 6000°К примерно 50% энергии излучения приходится на ИК диапазон. К числу естественных источников ИК излучения относятся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепло-массопереноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т. п. Поверхность Земли испускает тепловое излучение в диапазоне длин волн примерно от 3 до 80 мкм, т. е. захватывает всю среднюю ИК область. Интересно отметить, что максимум обратного теплового излучения Земли в мировое пространство расположен на длине волны 10 мкм, как и максимум излучения человеческого тела. Не простое ли это совпадение? Мы, дети планеты Земля, имеем общие черты теплового портрета нашей колыбели, сигнализируя об этом в космос. Исследование теплового излучения человеческого тела с помощью тепловизоров дает значительную информацию при диагностике различных заболеваний и контроле динамики их развития.
Чрезмерное увлечение ИК излучением, особенно ближней зоны, может привести к ожогам кожи, расстройствам нервной системы, общему перегреву тела человека, нарушению солевого баланса, работы сердца, тепловому удару и т. д.
Исследование ИК спектров различных астрономических объектов позволило установить космические источники ИК излучения, присутствие в них некоторых химических соединений и определить температуру этих объектов.
К космическим источникам ИК излучения относятся холодные красные карлики с температурой поверхности 1000-1500°К, ряд планетарных туманностей, кометы, пылевые облака, ядра галактик, квазары и т. д.
Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300-2800°К максимум излучения приходится на длину волны ≈1,2мкм и около 95% энергии излучения приходится на ИК диапазон. Используемые для сушки и нагрева лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 1 кВт излучают в ИК диапазоне около 80% всей энергии. При понижении температуры общее содержание ИК излучения источника уменьшается. При температуре а.ч.т. 1550°К максимум излучения соответствует длине волны λm = 1,7мкм. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует λm = 10 мкм, а при λm = 18 мкм интенсивность уменьшится в 700 раз. К числу спонтанных источников ИК излучения техногенного происхождения относятся также газоразрядные лампы, угольная электрическая дуга, электрические спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые пропускаемым током, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи самого различного назначения с использованием самого различного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т. д.), электропечи, электротехнические устройства с неизбежным превращением доли электрической энергии в тепловую, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций и т. д. Человеческая цивилизация, являясь сложной диссипативной структурой, неизбежно связана с тепловым излучением.
Среди некогерентных источников ИК излучения часто используются избирательные излучатели, например, горелка Нернста, Ауэра, имеющие в своем спектре сравнительно мало видимых лучей. Горелка Нернста позволяет получать интенсивные ИК излучения в области длин волн около 6 мкм, а горелка Ауэра – в широком диапазоне ИК спектра при λ > 6 мкм.
К числу когерентных техногенных источников с узкой полосой ИК излучения относятся ИК лазеры.
В какой области спектра расположены тепловые лучи
1. Учет каких факторов необходим при определении степени вредности и опасности теплового облучения на рабочем месте в производственных ус ловиях?
Учитывается: интенсивность и длина волны с максимальной энергией; площадь облучаемой поверхности и угол падения тепловых лучей на эту поверхность; длительность облучения за рабочий день и продолжительность непрерывного воздействия; интенсивность физического труда и подвижность воздуха на рабочем месте; качество спецодежды; индивидуальные особенности рабочего и степень акклиматизации организма в производственных условиях
2.Каково влияние теплового облучения на организм рабочего в зависимости от интенсивности и длины волны?
Интенсивное тепловое излучение может травмировать органы зрения (помутнение хрусталика), особенно при длине волны от 0,76 до 1,5 мкм. Под влиянием облучения в организме человека происходят биохимические сдвиги, наступают нарушения деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем. Помимо непосредственного воздействия на рабочих лучистая теплота нагревает окружающие конструкции (пол, стены, оборудование). В результате чего температура воздуха внутри помещения повышается, что также ухудшает условия работы.
3.Каковы методы защиты от теплового облучения?
основные методы защиты от теплового излучения: теплоизоляция нагретых поверхностей; экранирование теплового излучения; использование воздушного душирования; использование защитной одежды.
4.Как регламентируется ГОСТом эффективность теплоизоляции?
Согласно санитарным нормам (СП 245-71)температура поверхностей машин, механизмов и прочего производственного оборудования, с которым возможен контакт рабочего, должна иметь температуру не выше +45°С.
5.Какому виду экранирования можно отнести водяные завесы
К теплоотводящим экранам. Используются при любых интенсивностях излучений
6.Какова величина интенсивности излучения, допускаемая в течение всего рабочего дня без использования какой-либо защитной спецодежды
7.В каких случаях допустимо использование в качестве защиты методов воздушного душирования
При относительно небольших интенсивностях излучений (до 2320 Вт/м 2 ) с целью сохранения теплового баланса в организме человека и, как следствие его полной трудоспособности используется обдувание на рабочем месте (воздушное душирования) от передвижных или стационарных вентиляционных установок
9.Учет, каких факторов необходим при использовании зашиты по месту воздушного душирования
Скорости подаваемого воздуха в зависимости от категории работы, времени года, температуры воздуха и величины интенсивности излучения (при нормальной относительной влажности φ =40..60% и барометрическом давлении 1013 гПа) приведены в СП 245-71
10.Какие материалы рекомендуются для теплоотражающих экранов
В качестве материалов для теплоотражающих экранов используются листовой алюминий, белая жесть и алъфоль (алюминиевая фольга) и другие материалы, имеющие хорошие отражательные способности.
11 . Каков принцип устройства актинометра
Действие прибора основано на неодинаковой поглощающей способности зачерненных и блестящих полосок алюминиевой пластинки. Вследствие различия в температуре зачерненных и незачерненных участков пластики и расположенных под ним спаев теплобатареи, в последней возникает электрический ток. Сила тока измеряется гальванометром, шкала которого отградуирована в кал/(см 2 *мин). Для снятия показания открывают крышку термоприемника, затем ее закрывают либо убирают
12. При каких величинах интенсивности теплового облучения возможен тепловой удар
Более 3490 Вт/м 2
13. Как устроена установка для исследования теплового облучения
В качестве оборудования для проведения лабораторной работы используется специальная установка ОТ 5А, предназначенная для определения интенсивности и эффективности поглощения лучистой энергии цепной и водяной завесой. Установка состоит из следующих основных узлов: секции цепных завес, гидроагрегата в корпусе, панели управления.
1 кнопка "Стоп" водяной завесы; 2 кнопка "Пуск" водяной завесы; 3 сигнальная лампа; 4 — кнопка "Пуск" нагревательной спирали; 5 — кнопка ""Стоп" нагревательной спирали; 6 — датчик для замера тепловых излучений; 7 — гнездо датчика; 8 индикатор датчика 6; 9 — секция цепных завес; 10,15 — ванна водяной завесы и направляющие отвесы; 11 -ручка управления отражателем; 12 — ручка крана управления водяным насосом; 13 — панель управления; 14 — спираль накаливания за стеклянным экраном; 16 — корпус установки; 17 — рычаги управления цепными навесами; 18 — общий выключатель
14.В какой области спектра расположены тепловые лучи
Для большинства производственных источников теплового излучения длина волны с максимальной энергией приходится на инфракрасные лучи с λ >0,78 мкм
16) Как воздействуют на организм рабочего лучи Фохта
Длительное воздействие инфракрасных лучей с длиной волны λ =0,72..1,5 мкм (лучи Фохта) вызывают катаракту глаза
1.Для какой цели исследуется запыленность воздуха рабочей зоны?
Систематическое пребывание работающих в воздушной среде с большой концентрацией вредных веществ, в том числе и нетоксичной пыли может привести к тяжелым профессиональным заболеваниям. Кроме этого, запыленность воздушной среды в производственных условиях снижает прозрачность воздуха и создает предпосылки для увеличения взрыво — и пожароопасности в помещениях.
2. Какие существуют основные методы исследования и анализа запы ленности воздуха?
Систематическое пребывание работающих в воздушной среде с большой концентрацией вредных веществ, в том числе и нетоксичной пыли может привести к тяжелым профессиональным заболеваниям. Кроме этого, запыленность воздушной среды в производственных условиях снижает прозрачность воздуха и создает предпосылки для увеличения взрыво — и пожароопасности в помещениях.
3.Что такое гравиметрический метод определения запыленности? В чем заключается его сущность?
Для определения концентрации пыли в производственных помещениях машиностроительных предприятий широко используется весовые (гравиметрические) методы. Воздух прокачивается через специальные фильтры (например, аллонж), который взвешивают до и после опыта. Одновременно замеряют количество просасываемого воздуха. После определения суммарной концентрации пыли фильтр с пылью передается в Центральную заводскую лабораторию для проведения химического анализа с целью определения химического состава пыли и процентного содержания в ней отдельных составляющих.
4.Объясните основные принципы нормирования запыленности возду ха? Что такое ПДК?
Основным параметром, ограничивающим содержание вредных примесей в воздухе рабочей зоны являются их предельно допустимые концентрации (ПДК) – концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований. В процессе работы или в отдельные сроки жизни настоящего и будущего поколений. При установлении ПДК ориентируются на токсикологический показатель вредности и рефлекторную реакцию организма, определяемых клинико –статистическим методом. В настоящее время в России установлены ПДК для 828 вредных и токсичных веществ, перечень которых приведен 12.1.005 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».
5.Чем отличаются нормы запыленности воздуха рабочей среды от ат мосферы населенных пунктов?
На территории предприятия в воздухе может содержаться вредных веществ не более 30 % от ПДК для рабочей зоны. Различают два типа ПДК для воздуха населенных пунктов: максимальная из разовых концентраций вредной примеси, определяющая степень кратковременного воздействия примеси на организм человека, и среднесуточная концентрация – допустимая степень загрязнения воздуха в течение длительного периода без строгого фиксирования его продолжительности. Для рабочей зоны не более 41 часа в неделю
6.Как производится оценка вредных ингредиентов однонаправленного действия, не обладающих однонаправленным действием?
При одновременном содержании в воздухе нескольких вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, ПДК остаются такими же, как и при изолированном воздействии. Если же вещества имеют однонаправленное действие (например, на органы дыхания), то сумма отношений фактической концентрации каждого ингредиента в воздухе помещения к их предельно допустимой концентрации не должна превышать единицы
1.Какие системы искусственного освещения Вы знаете?
Общее — искусственное освещение помещения в целом и рабочих мест осуществляется только с помощью светильников, расположенных в верхней зоне освещения
· равномерное – при равномерном распределении светового потока не учитывается расположение оборудования
· локализованное – когда учитывается расположение оборудования
Комбинированное – когда не менее 10 % нормируемой освещенности создается светильниками общего освещения, а остальная освещенность – светильниками местного освещения, располагаемых рядом или в непосредственной близости от рабочих мест и посылающих световой поток на рабочую поверхность, не освещая при этом прилегающие поверхности
2.Как влияет освещенность на интегральные показатели работы?
Эффективность производственной деятельности человека зависит от состояния его зрительного анализатора, характеризуемого уровнями основных зрительных функций:
· контрастной чувствительностью, определяемой пороговым контрастом
· остротой различения, определяемой пороговым угловым размером объекта
· скоростью различения об обнаружения, определяемой необходимым для этого временем
· цветовой чувствительностью, определяемой цветовым порогом и т.д.
Все перечисленные функции улучшаются с ростом освещенности, так как соответствующие пороги, имеющие большие значения при малой освещенности, резко уменьшаются с ее увеличением
3.Перечислите основные количественные и качественные показатели искусственного освещения.
· световой поток F , измеряемый в люменах
· интенсивность ли сила света I , измеряемая в канделах
· освещенность E , измеряемая в люксах
· яркость B , измеряемая в канделах, деленных на квадратный метр
· контраст объекта с фоном
4.Какие виды источников света Вы знаете? Назовите преимущества и недостатки ламп накаливания.
Отечественные источники света:
· Лампы накаливания нормальные
· Лампы накаливания с йодным циклом, галогенные
· Галогенные лампы ДРИ
· Натриевые лампы ДНаТ
· Ксеноновые лампы ДКст
Плюсы: простота обслуживания и малые затраты
Минусы: низкая светоотдача и малый срок службы
5.Какие основные типы газоразрядных источников света Вы знаете?
· натриевые и ксеноновые
6.Что такое светильник? Назовите основные функции осветительной арматуры светильника.
Светильник – это световой прибор, представляющий собой совокупность источника света и осветительной арматуры
Основные функции осветительной арматуры:
· перераспределение светового потока лампы внутри светильника, что повышает эффективность осветительной установки
· предохранение глаз работающих от воздействия больших яркостей источника света
7.Чем ограничивается слепящее действие светильника общего освещения?
Ограничивается защитным углом a светильника – углом между горизонталью и линией, соединяющей нить накала или поверхность лампы с противоположным краем отражателя
8.Чем определяется экономичность светильника?
Определяется коэффициентом полезного действия
9.Виды светильников по характеру светораспределения , конструктивному исполнению и функциональному назначению?
По характеру светораспределения различают светильники прямого, преимущественно прямого, отраженного, преимущественно отраженного и рассеянного света
В зависимости от конструктивного исполнения различают светильники открытые, защищенные, пыленепроницаемые, влагозащитные, взрывозащищенные, взрывобезопасные
По назначению светильники делятся на светильники общего и местного освещения
10.Какими методами можно рассчитывать местное освещение?
· метод удельной мощности
· метод светового потока
12.Какие качественные показатели освещения нормируются действующим Сноп 23-05-95?
В действующих нормах проектирования производственных помещений СНиП 23-05-95 регламентируется как количественная (величина минимальной освещенности), так и качественные характеристики (показатели ослепленности и дискомфорта, коэффициент пульсации освещенности)
13.Какие параметры определяют значение требуемой освещенности для определенного вида работ?
Величина минимальной освещенности устанавливается в зависимости от :
· характеристики зрительной работы (наименьший размер объекта различения)
Тепловое излучение, виды, свойства и принцип работы
Тепловое излучение — это процесс, при котором энергия передается от горячего тела к окружающей среде в виде электромагнитного излучения. Это излучение состоит из инфракрасных лучей, которые не могут быть видимы для человеческого глаза.
Тепловое излучение происходит из-за колебаний атомов и молекул внутри тела, которые сталкиваются друг с другом и передают свою энергию в форме тепла. Когда тело нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом, что приводит к выделению энергии. Эта энергия затем переходит в тепловое излучение.
Полезные статьи:
Инфракрасные камеры, виды, принцип работы
Солнечный свет, свойства
Все статьи
Интенсивность теплового излучения зависит от температуры тела и его размеров. Чем горячее тело, тем больше энергии оно излучает. Кроме того, размер тела также влияет на интенсивность излучения, так как чем больше тело, тем большее количество молекул может передавать свою энергию.
Открытие теплового излучения
Открытие было сделано в 1800 году английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Он обнаружил, что когда тело нагревается, то испускает излучение в виде электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве. Это явление называется тепловым излучением, или инфракрасным излучением.
Максвелл также разработал математическую модель, которая описывает, как тепловое излучение распространяется в пространстве. Эта модель стала основой для разработки инфракрасных датчиков и систем мониторинга температуры.
Открытие теплового излучения стало важным шагом в развитии физики и техники, поскольку оно позволило ученым и инженерам лучше понимать, как работают различные системы и устройства.
Виды теплового излучения
Тепловое излучение — это процесс передачи энергии от горячих тел к холодным. Существует несколько видов теплового излучения:
1. Инфракрасное излучение — это вид теплового излучения, которое находится в диапазоне длин волн от 0,74 до 1000 микрон. Оно невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено с помощью специальных приборов.
2. Видимое излучение — которое мы видим как свет. Оно находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.
3. Ультрафиолетовое излучение — с длиной волны менее 200 нанометров, которое может быть опасным для здоровья человека и вызывать различные заболевания кожи.
4. Радиационное излучение — возникает при ядерных реакциях и может быть использовано в медицине для лечения различных заболеваний.
5. Лазерное излучение — это когерентное излучение света с высокой интенсивностью и длиной волны. Оно может использоваться в различных областях, включая медицину, науку и промышленность.
Принцип работы теплового излучения
Это процесс передачи тепла от более горячих объектов к более холодным. Принцип работы теплового излучения заключается в том, что энергия, которая была поглощена объектом, излучается им в виде электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне.
Когда объект нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее и сталкиваются друг с другом, передавая энергию. Эта энергия может быть передана другим молекулам, которые затем также начинают двигаться быстрее, и так далее. В результате объект начинает излучать тепло в виде инфракрасных волн.
Инфракрасные волны имеют длину волны, которая находится в диапазоне от 0,74 мкм до 1000 мкм. Они имеют низкую энергию и не могут проникать через твердые материалы, такие как стекло или металл. Однако они могут проходить через газы и жидкости, а также через некоторые материалы, такие как пластик или дерево.
Спектр теплового излучения
Можно выделить три основных участка:
1. Инфракрасный участок (от 3 до 5 мкм) — этот участок спектра содержит наибольшую долю энергии и отвечает за тепловое излучение объектов, нагретых до высоких температур.
2. Видимый участок (от 0,4 до 0,7 мкм) — тут энергия излучения меньше, чем на инфракрасном участке, но он все еще может быть заметен для человеческого глаза.
3. Ультрафиолетовый участок (менее 0,3 мкм) — является наиболее коротким из всех участков спектра, и его энергия очень мала. Тем не менее, оно может быть опасным для здоровья человека, если не использовать защитные очки или другие средства защиты.
Каждый участок спектра имеет свои особенности и используется для разных целей. Например, инфракрасное излучение используется в термографии для измерения температуры объектов, а видимое излучение используется в фотокамерах для получения изображений.
Источники теплового излучения
Это объекты, которые излучают тепловую энергию в окружающую среду. Примеры таких источников включают:
1. Солнце. Является одним из крупнейших источников тепловой энергии на Земле, излучая тепло в космос через свою фотосферу.
2. Геологические образования. Например, такие как вулканы, горячие источники и лавовые поля, могут являться источниками тепловой энергии.
3. Химические реакции. Могут приводить к выделению тепла, которое может быть использовано для нагрева окружающей среды.
4. Тепловое оборудование: Например, такие как печи, котлы, нагреватели, могут излучать тепло в окружающую среду.
5. Живые организмы: Например, такие как растения, животные и люди, выделяют тепло в процессе метаболизма.
Применение теплового излучения
Использовано для различных целей, включая:
1. Обогрев зданий и сооружений. Используется для обогрева любых помещений, что позволяет снизить затраты на отопление и увеличить комфорт для людей, находящихся внутри помещений.
2. Обогрев воды и пара. Также применяется для нагрева воды и пара, что необходимо в различных промышленных процессах, таких как производство стали, цемента и других материалов.
3. Обогрев теплиц и оранжерей. тепловое излучение позволяет выращивать растения в условиях, когда температура окружающей среды не достигает оптимальных значений.
4. Обогрев животных. Может использоваться для обогрева животных, что способствует улучшению их здоровья и повышению производительности.
5. Охлаждение помещений. Используется для охлаждения помещений, что особенно актуально в жаркую погоду.
6. Охлаждение продуктов. Применяется для охлаждения различных видов еды, что позволяет сохранить их свежесть и качество.
7. Солнечные коллекторы. Используется для производства электроэнергии, что является одним из способов получения энергии из возобновляемых источников.
8. Обогрев космических аппаратов. Применяется для поддержания комфортной температуры внутри космических кораблей и станций.
9. Обогрев и охлаждение электронных компонентов. Играет важную роль в работе электронных компонентов, используемых в различных устройствах, таких как компьютеры, мобильные телефоны и другие электронные устройства.
10. Медицинское оборудование. Часто используется в медицинском оборудовании, таком как инфракрасные термометры и тепловые лампы, для измерения температуры тела и лечения заболеваний.
11. Авиация. Играет важную роль в авиации, так как оно используется для создания тепловой защиты самолетов от перегрева в условиях высоких температур
В целом, тепловое излучение находит широкое применение в различных областях, от обогрева зданий до производства электроэнергии и работы электронных компонентов.
В какой области спектра расположены тепловые лучи
Законы теплового излучения. Лучистое тепло.
Может, для кого-то это будет новостью, но передача температуры происходит не только теплопроводностью через прикосновение одного тела к другому. Каждое тело (Твердое, жидкое и газообразное) испускает тепловые лучи определенной волны. Эти лучи, уходя от одного тела, поглощаются другим телом, и принимают тепло на себя. И я попытаюсь Вам объяснить, как это происходит, и сколько тепла мы теряем этим излучением у себя дома на отопление. (Я думаю, многим будет интересно увидеть эти цифры). В конце статьи решим задачку из реального примера.
Я не однократно в этом убеждался, что сидя у костра (обычно большого) мое лицо обжигали эти лучи. И если я закрывал костер своими ладонями и при этом руки были вытянуты, то получалось, что мое лицо переставало обжигать. Не трудно догадаться, что эти лучи прямые как световые. Меня обжигает не воздух, циркулирующий вокруг костра, и даже не теплопроводность воздуха, а именно прямые не видимые тепловые лучи, идущие от костра.
В космосе между планетами обычно вакуум и поэтому передача температур осуществляется исключительно тепловыми лучами (Все лучи — это электромагнитные волны).
Тепловое излучение имеет природу такую, как световые и электромагнитные лучи (волны). Просто, эти волны (лучи) имеют разную длину волны.
Например, длины волн в диапазоне 0, 76 – 50 мкм, называется инфракрасными. Все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм.
Всякое тело, если только температура его отлична от абсолютного нуля (-273, 15 °С), способно посылать в окружающее пространство излучение. Поэтому любое тело излучает на окружающие его тела лучи и в свою очередь находится под воздействием излучения этих тел.
Тепловое излучение может поглощаться или проходить в сквозь тело, а также может просто отражаться от тела. Отражение тепловых лучей подобно тому, как если бы световой луч отражался от зеркала. Поглощение теплового излучения подобно тому, как черная крыша сильно нагревается от солнечных лучей. А проникновение или прохождение лучей подобно тому, как лучи проходят в сквозь стекло или воздух. Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение.
Очень близко по своим свойствам к черному телу относится так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон — заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.
Вообще в науке теплотехнике, чтобы объяснить процессы тепловых излучений, удобно использовать понятие черного тела, для того чтобы качественно объяснить процессы тепловых излучений. Только черное тело способно в некотором роде облегчить расчеты.
Как было описано выше любое тело способно:
| 1. Излучать тепловую энергию. 2. Поглощать тепловую энергию. 3. Отражать тепловую энергию. |
Черное тело — это тело, которое полностью поглощает тепловую энергию, то есть оно не отражает лучи и в сквозь нее не проходит тепловое излучение. Но не забываем, что черное тело излучает тепловую энергию.
Какие возникают сложности при расчете, если тело не является черным телом?
Тело, которое не является черным телом, имеет такие факторы:
| 1. Поглощает, какую-то часть теплового излучения, а другая часть проходит в сквозь тело. 2. Отражает, какую-то часть теплового излучения. |
Эти два фактора усложняют расчет на столько, что «мама не горюй». Очень сложно так считать. А ученые по этому поводу толком не объяснили, как рассчитать серое тело. Кстати серое тело — это и есть тело, которое не является черным телом.
Тепловое излучение имеет разные частоты (разные волны), и каждое отдельное тело может иметь разную волну излучения. К тому же при изменении температуры, эта длина волны может меняться, может меняться и ее интенсивность (сила излучения).
Рассмотрим изображение, которое подтверждает сложность вычисления излучательности.
На рисунке изображены два шарика, которые в себе имеют частички этого шарика. Красные стрелки это лучи испускаемые частичками.
Рассмотрим черное тело.
Внутри черного тела глубоко внутри расположены некоторые частички, которые обозначены оранжевым цветом. Они испускают лучи, которые поглощают рядом находящиеся другие частички, которые обозначены желтым цветом. Лучи оранжевых частичек черного тела не способны пройти в сквозь другие частички. И поэтому только наружные частички этого шарика испускают лучи по всей площади шарика. Поэтому расчет черного тела легко считается. Также принято считать, что черное тело испускает весь спектр волн. То есть испускает все имеющиеся волны различных длин. Серое тело может испускать часть спектра волн, только определенной длины волн.
Рассмотрим серое тело.
Внутри серого тела, имеющиеся внутри частички излучают какую то часть лучей, которые проходят в сквозь другие частички. И только поэтому расчет усложняется многократно.
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возникающее вследствие преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения. Именно тепловой характер возбуждения элементарных излучателей (атомов, молекул и т.п.) противопоставляет тепловое излучение всем другим видам свечения и обуславливает его специфическое свойство зависеть лишь от температуры и оптических характеристик излучающего тела.
Опыт показывает, что тепловое излучение наблюдается у всех тел при любой температуре, отличной от 0 К. Конечно, интенсивность и характер излучения зависят от температуры излучающего тела. Например, все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм, а Солнце излучает энергию, максимум которой приходится на 0, 5 мкм, что соответствует видимому диапазону. При Т → 0 К тела практически не излучают.
Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии тела и, следовательно, к снижению температуры тела, к охлаждению. Нагретое тело за счет теплового излучения отдает внутреннюю энергию и охлаждается до температуры окружающих тел. В свою очередь, поглощая излучение, могут нагреваться холодные тела. Такие процессы, которые могут происходить и в вакууме, называют радиационным теплообменом.
Абсолютно черное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой.
(Температурный интервал в Кельвинах и их Цвет)
до 1000 Красный
5500—7000 Чисто белый
Наиболее черные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0, 01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Глубокий черный цвет некоторых материалов (древесного угля, черного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно черного тела в наибольшей степени обладает Солнце. По определению Солнце практически не отражает никакого излучения. Термин был введен Густавом Кирхгофом в 1862.
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за поглощения части спектра атмосферой Земли у поверхности нашей планеты этот свет приобретает жёлтый оттенок.
Абсолютно чёрное тела — 100% поглощает и при этом нагревается, так и наоборот! нагретое тело — 100% излучает это означает, что есть строгая закономерность (формула излучения абсолютно чёрного тела) между температурой Солнца — и его спектром — так как и спектр и температуру уже определили — да, у Солнца нет отклонений от этих параметров!
В астрономии есть такая диаграмма — «Спектр-Светимость», так вот наше Солнце принадлежит «главной последовательности» звезд, к которой принадлежат и большинство других звезд, то есть почти все звезды «абсолютно чёрные тела», как это не странно. Исключения — белые карлики, красные гиганты и Новые, Сверх-Новые.
Это кто-то физику в школе недоучил.
Абсолютно чёрное тело поглощает ВСЁ излучение и излучает больше всех остальных тел (чем больше тело поглощает, тем сильнее оно нагревается; чем больше оно нагревается, тем больше оно излучает).
Пусть у нас есть две поверхности — серая (с коэффициентом черноты 0, 5) и абсолютно чёрная (коэффициент 1).
Коэффициент черноты — это коэффициент поглощения.
Теперь на эти поверхности направив одинаковый поток фотонов, допустим, 100 штук.
Серая поверхность поглотит 50 из них, чёрная — все 100.
Какая поверхность, испускает больше света — в которой «сидит» 50 фотонов или 100?
Излучение абсолютно чёрного тела впервые правильно рассчитал Планк.
Излучение Солнца примерно подчиняется формуле Планка.
И так начнем изучать теорию.
Под излучением (радиацией) понимают испускание и распространение электромагнитных волн любого вида. В зависимости от длины волны различают: Ренгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, световое (видимое) излучение и радиоволны.
Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Ангстрем. 10 Ангстрем = 1 нм. (0, 001-100 нм)
Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (10 — 380 нм).
Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0, 74 мкм) и микроволновым излучением (λ
Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:
Коротковолновая область: λ = 0, 74—2, 5 мкм;
Средневолновая область: λ = 2, 5—50 мкм;
Длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм;
Видимое излучение — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 терагерц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой — 760—780 нм (385—395 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).
Радиоизлучение (радиоволны, радиочастоты) — электромагнитное излучение с длинами волн 5•10−5—1010 метров и частотами, соответственно, от 6•1012 Гц и до нескольких Гц. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.
Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Возбудителями этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 °С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0, 7÷50 мкм).
Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций — квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения — фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, то есть имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы — объемом.
Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн (от λ до λ+dλ) называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ∞, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q(Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м 2 ).
Чтобы понять эту формулу рассмотрим изображение.
Я не случайно изобразил два варианта тела. Формула справедлива только для тела квадратной формы. Так как излучающая площадь должна быть плоской. При условии, что излучает только поверхность тела. Внутренние частицы не излучают.
| S — площадь тела (м 2 ) Q — энергия (Вт), излучаемая лучами со всей площади. |
Зная плотность излучения материала, можно рассчитать, сколько энергии уходит на излучение:
Необходимо понимать, что лучи исходящие от плоскости имеют разную интенсивность излучения по отношению к нормали плоскости.
Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.
Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности в направлении другого элемента, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали, на величину пространственного угла, составленного направлением излучения с нормалью
Интенсивность каждого лучика можно найти с помощью тригонометрической функции:
То есть [sin Y] — это своего рода коэффициент угла и он строго подчиняется тригонометрии угла. Коэффициент работает только для черного тела. Так как рядом находящиеся частички будут поглощать боковые лучи. Для серого тела, необходимо учитывать количество проходящих в сквозь частички лучей. Отражение лучей, тоже необходимо учитывать.
Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при температуре 0 — 60°С. Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.
Немного об определениях. Определения пригодятся, чтобы правильно выражаться.
Отметим, что большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения. Это значит, что они обладают способностью излучать лучи всех длин волн.
Лучистым потоком (или потоком излучения) называют отношение лучистой энергии ко времени излучения, Вт:
где Q— энергия излучения, Дж; т — время, с.
Если лучистый поток, излучаемый произвольной поверхностью во всех направлениях (т.е. в пределах полусферы произвольного радиуса) осуществляется в узком интервале длин волн от λ до λ+Δλ, то его называют потоком монохроматического излучения
Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным потоком излучения Ф
Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения или излучательности, Вт/м 2 ,
Формулу можно применять и при монохроматическом излучении. Если на поверхность тела падает тепловое монохроматическое излучение, то в общем случае часть, равная Вλ этого излучения, поглотится телом, т.е. превратится в другую форму энергии в результате взаимодействия с веществом, часть Fλ будет отражена, и часть Dλ пройдет сквозь тело. Если принять, что падающее на тело излучение равно единице, то
где Вλ, Fλ, Dλ — коэффициенты соответственно поглощения, отражения
и пропускания тела.
Когда в пределах спектра величины В, F, D остаются постоянными, т.е. не зависят от длины волны, то надобность в индексах отпадает. В этом случае
Если В= 1 (F = D = 0), то тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение независимо от длины волны, направления падения и состояния поляризации излучения, называется черным телом или полным излучателем.
Если F=1 (В=D=0), то падающее на тело излучение полностью отражается. В том случае, когда поверхность тела шероховатая, то лучи отражаются рассеянно (диффузное отражение), и тело называют белым, а когда поверхность тела гладкая и отражение следует законам геометрической оптики, то тело (поверхность) называют зеркальным. В том случае, когда D = 1 (В=F=0), тело проницаемо для тепловых лучей (диатермично).
Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (D = 0), т.е. атермичны. Для таких тел
Абсолютно черных, так же как и прозрачных или белых тел, в природе нет. Такие тела должны рассматриваться как научные абстракции. Но все же некоторые реальные тела могут достаточно близко подходить по своим свойствам к таким идеализированным телам.
Надо отметить, что некоторые тела обладают по отношению к лучам определенной длины волны одними свойствами, а к лучам другой длины — иными. Например, тело может быть прозрачным для инфракрасных лучей и непрозрачным для видимых (световых) лучей. Поверхность тела может быть гладкой по отношению к лучам одной длины волны и шероховатой — для лучей другой длины волны.
Газы, в особенности находящиеся под небольшим давлением, в противоположность твердым и жидким телам излучают линейчатый спектр. Таким образом, газы поглощают и излучают лучи лишь определенной длины волны, других же лучей они не могут ни излучать, ни поглощать. В этом случае говорят о селективном (выборочном) поглощении и излучении.
В теории теплового излучения важную роль играет величина, называемая спектральной плотностью потока излучения, или спектральной излучательностью, представляющей собой отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн от λ до λ+Δλ, к размеру этого интервала длин волн Δλ, Вт/м 2 ,
где E — поверхностная плотность лучистого потока, Вт/м 2 .
Почему нет такого справочника по материалам? Потому что теплопотери тепловым излучением очень маленькие, и я думаю вряд ли превышают 10% в наших бытовых условиях. Поэтому в расчет теплопотерь их не закладывают. Вот когда мы будем часто летать в космос, тогда и появятся все расчеты. Вернее в нашей космонавтике накопились данные по материалам, но в свободной доступности их пока нет.
Закон поглощения лучистой энергии
Если на какое-либо тело толщиной l, падает лучистый поток (смотри рисунок), то в общем случае при прохождении сквозь тело он уменьшается. Принимают, что относительное изменение лучистого потока на пути Δl прямо пропорционально пути потока:
Коэффициент пропорциональности b называется показателем погло-щения, зависящим в общем случае от физических свойств тела и длины волны.
Интегрируя в пределах от l до 0 и принимая b постоянным, получаем
Установим связь между спектральным коэффициентом поглощения тела Вλ и спектральным показателем поглощения вещества bλ.
Из определения спектрального коэффициента поглощения Вλ имеем
После подстановки в это уравнение значения получим соотношение между спектральным коэффициентом поглощения Вλ и спектральным показателем поглощения Bλ.
Коэффициент поглощения Вλ равен нулю при l1= 0 и bλ = 0. При большом значении bλ достаточно весьма малого значения l, но все же не равного нулю, чтобы значение Вλ было как угодно близко к единице. В этом случае можно говорить, что поглощение происходит в тонком поверхностном слое вещества. Только в этом понимании возможно говорить о поверхностном поглощении. Для большинства твердых тел благодаря большому значению показателя поглощения bλ имеет место в ука-занном смысле «поверхностное поглощение», в связи с чем на коэффициент поглощения большое влияние оказывает состояние его поверхности.
Тела, хотя и с малым значением показателя поглощения, как, например, газы, могут при их достаточной толщине обладать большим коэффициентом поглощения, т.е. делаются непрозрачными для лучей данной длины волны.
Если bλ=0 для интервала Δλ, а для остальных длин волн bλ не равно нулю, то тело будет поглощать падающее излучение только определен-ных длин волн. В этом случае, как было указано выше, говорят о селективном (выборочном) коэффициенте поглощения.
Подчеркнем принципиальную разницу между показателем поглоще-ния вещества bλ и коэффициентом поглощения Вλ тела. Первый характе-ризует физические свойства вещества по отношению к лучам определенной длины волны. Значение Вλ зависит не только от физических свойств вещества, из которого состоит тело, но и от формы, размеров и состояния поверхности тела.
Законы излучения лучистой энергии
Макс Планк теоретически на основе электромагнитной теории установил закон (носящий название закона Планка), выражающий зависимость спектральной излучательности черного тела Е0λ от длины волны λ и температуры Т.
где E0λ(λ, T) — излучательность черного тела, Вт/м 2 ; T — термодинамическая температура, K; C1 и C2 — постоянные; С1=2πhc 2 =(3, 74150±0, 0003)•10-16 Вт•м 2 ; С2=hc/k=(1, 438790±0, 00019)•10 -2 ; м•K (здесь h=(6, 626176±0, 000036)•10 -34 Дж•с — постоянная Планка; с=(299792458±1, 2) м/с — скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве: k — постоянная Больцмана.)
Из закона Планка следует, что спектральная излучательность может равняться нулю [E0λ(λ, Т)=0] при термодинамической температуре, равной нулю (Т=0), либо при длине волны λ = 0 и λ→∞ (при Т≠0).
Следовательно, черное тело излучает при любой температуре больше 0 К. (Т > 0) лучи всех длин волн, т.е. имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения.
Из выше указанной формулы можно получить расчетное выражение для излучательности черного тела:
Интегрируя в пределах изменения λ от 0 до ∞ получаем
В результате разложения подынтегрального выражения в ряд и его интегрирования получают расчетное выражение для излучательности черного тела, называемое законом Стефана—Больцмана:
где Е0 — излучательность черного тела, Вт/м 2 ;
σ — постоянная Стефана Больцмана, Вт/(м 2 •К 4 );
σ = (5, 67032 ± 0, 00071)•10 -8 ;
Т- термодинамическая температура, К.
Формулу часто записывают в более удобной для расчета форме:
где E0 — коэффициент излучения черного тела; С0 = 5, 67 Вт/(м 2 •К 4 ).
Закон Стефана—Больцмана формулируют так: излучательность чер-ного тела прямо пропорциональна его термодинамической температуре в четвертой степени.
Спектральное распределение излучения черного тела при различных температурах
λ — длина волны от 0 до 10 мкм (0-10000 нм)
E0λ — следует понимать так: Как если бы в объеме (м 3 ) черного тела находиться определенное количество энергии (Вт). Это не означает, что оно излучает такую энергию только наружными частичками. Просто если собрать все частички черного тела в объеме и измерить каждой частички излучаетельность во всех направлениях и сложить их все, то мы получим полную энергию на объеме, которая и указана на графике.
Как видно из расположения изотерм, каждая из них имеет максимум, причем, чем больше термодинамическая температура, тем больше значение E0λ, отвечающее максимуму, а сама точка максимума перемещается в область более коротких волн. Перемещение максимальной спектральной излучательности E0λmax в область более коротких волн известно под названием
закона смещения Вина, по которому
T•λmax = 2, 88•10 -3 м•К = const и λmax = 2, 88•10 -3 /Т,
где λmax — длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной излучаетльности E0λmax.
Так, например, при Т = 6000 К (примерная температура поверхности Солнца) максимум Е0λ располагается в области видимого излучения, на которую падает около 50% излучательности Солнца.
Элементарная площадка под изотермой, заштрихованная на графике равна Е0λ Δλ. Ясно, что сумма этих площадок, т.е. интеграл представляет собой излучательность черного тела E0. Следовательно, площадь между изотермой и осью абсцисс изображает в условном масштабе диаграммы излучательность черного тела. При небольших значениях термодинамической температуры изотермы проходят в непосредственной близости к оси абсцисс, и указанная площадь становится столь малой, что практически ее можно считать равной нулю.
Большую роль в технике играют понятия о так называемых серых телах и сером излучении. Серым называется неселективный тепловой излучатель, способный излучать сплошной спектр, со спектральной излучательностыо Eλ для волн всех длин и при всех температурах, составляющей неизменную долю от спектральной излучательности черного тела Е0λ т.е.
Можно положить, что все лучи, посылаемые одним телом, полностью попадают на другое. Примем, что коэффициенты пропускания этих тел D1 = D2 = 0 и между поверхностями двух плоскостей находится теплопрозрачная (диатермическая) среда. Обозначим через E1, B1, F1, T1, и E2, B2, F2, T2 соответственно излучательности, коэффициенты поглощения, отражения и температуры пов ерхностей первого и второго тел.
Поток лучистой энергии от поверхности 1 к поверхности 2 равен произведению излучательности поверхности 1 на ее площадь А, т.е. Е1•А, из которого часть Е1•В2•А поглощается поверхностью 2, а часть Е1•F2•А отражается обратно на поверхность 1. Из этого отраженного потока Е1•F2•А поверхность 1 поглощает E1•F2•B1•A и отражает E1•F1•F2•A. ИЗ отраженного потока энергии E1•F1•F2•A поверхность 2 вновь поглотит E1•F1•F2•B2•A и отразит E1•F1•F2•A и т.д.
Аналогично происходит передача лучистой энергии потоком Е2 от поверхности 2 к поверхности 1. В итоге поток лучистой энергии, поглощенный поверхностью 2 (или отданный поверхностью 1),
Поток лучистой энергии, поглощенной поверхностью 1 (или отданной поверхностью 2),
В окончательном итоге поток лучистой энергии, переданной поверхностью 1 к поверхности 2, будет равен разности лучистых потоков Ф1→2 и Ф2→1 т.е.
Полученное выражение справедливо при всех значениях температур Т1 и Т2 и, в частности, при Т1 = Т2. В последнем случае рассматриваемая система находится в динамическом тепловом равновесии, и на основании второго начала термодинамики необходимо положить Ф1→2 = Ф2→1 откуда следует
Далее положим, что поверхность 2 является черной. Тогда Е2= Е0 и В2 = В0=1. Принимая для простоты Е1=E и В1 = В, получаем
Полученное равенство носит название закона Кирхгофа: отношение излучательности тела к его коэффициенту поглощения для всех серых тел, находящихся при одной и той же температуре, одинаково и равно излучательности черного тела при той же температуре.
Если какое-либо тело имеет малый коэффициент поглощения, как например, хорошо полированный металл, то это тело имеет и малую излучательность. На этом основании для уменьшения потерь теплоты излучением во внешнюю среду теплоотдающие поверхности покрывают листами полированного металла для тепловой изоляции.
При выводе закона Кирхгофа рассматривалось серое излучение. Вывод останется справедливым и в том случае, если тепловое излучение обоих тел рассматривается только в некоторой части спектра, но однако имеет одинаковый характер, т.е. оба тела испускают лучи, длины волн которых лежат в одной и той же произвольной спектральной области. В предельном случае приходим к случаю монохроматического излучения. Тогда
т.е. для монохроматического излучения закон Кирхгофа должен быть сформулирован так: отношение спектральной излучательности какого-либо тела при определенной длине волны к его коэффициенту поглощения при той же длине волны одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно спектральной излучательности черного тела при той же длине волны и той же температуре.
Заключаем, что для серого тела В = ε, т.е. понятия «коэффициент поглощения» В и «коэффициент черноты» ε для серого тела совпадают. По определению коэффициент черноты не зависит ни от температуры, ни от длины волны, а следовательно, и коэффи-циент поглощения серого тела также не зависит ни от длины волны, ни от температуры.
Излучение газов
Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Поглощение и излучение газов — селективное (выборочное). Газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных, довольно узких интервалах Δλ длин волн — так называемых полосах. В остальной части спектра газы не излучают и не поглощают лучистой энергии.
Двухатомные газы обладают ничтожно малой способностью поглощать лучистую энергию, а следовательно, и малой способностью ее излучать. Поэтому эти газы обычно считают диатермичными. В отличие от двухатомных газов многоатомные, в том числе и трехатомные газы, обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Из трехатомных газов в области теплотехнических расчетов наибольший практический интерес представляют углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O), имеющие по три полосы излучения.
В отличие от твердых тел показатель поглощения для газов (конечно, в области полос поглощения) мал. Поэтому для газообразных тел уже нельзя говорить о «поверхностном» поглощении, так как поглощение лучистой энергии происходит в конечном объеме газа. В этом смысле поглощение и излучение газов называются объемными. Кроме того, показатель поглощения bλ для газов зависит от температуры.
По закону поглощения спектральный коэффициент поглощения тела может быть определен по:
Для газообразных тел эта зависимость несколько усложняется тем, что на коэффициент поглощения газа влияет его давление. Последнее объясняется тем, что поглощение (излучение) протекает тем интенсивнее, чем большее число молекул встретит луч на своем пути, а объемное число молекул (отношение числа молекул к объему) прямо пропорционально давлению (при t = const).
В технических расчетах газового излучения, обычно поглощающие газы (CO2 и H2O) входят как компоненты в состав смеси газов. Если давление смеси p, а парциальное давление поглощающего (или излучающего) газа рi , то в необходимо вместо l подставить величину рi•1. Величина рi•1, представляющая собой произведение давления газа на его толщину, носит название эффективной толщины слоя. Таким образом, для газов спектральный коэффициент поглощения
Спектральный коэффициент поглощения газа (в пространстве) зависит от физических свойств газа, формы пространства, его размеров и температуры газа. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа спектральная излучательность