Закони теплового випромінювання
Теплове випромінювання. У нагрітих тілах частина внутрішньої енергії речовини може перетворюватися в енергію випромінювання. Тому нагріті тіла є джерелами електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні частот. Це випромінювання називають тепловим випромінюванням.
Експерименти показують, що теплове випромінювання має безперервний спектр. Це означає, що нагріте тіло випускає деяку кількість енергії випромінювання в будь-якому діапазоні частот або довжин хвиль. Розподіл енергії випромінювання тіла по спектру залежить від температури тіла. При цьому для всіх тіл із збільшенням температури максимум енергії випромінювання зміщується в короткохвильовий ділянку спектра, а загальна енергія випромінювання зростає. Так, якщо випромінювання батареї центрального опалення (К) має пік енергії в діапазоні невидимого інфрачервоного випромінювання, то розпечена поверхню Сонця (К) випромінює значну частину енергії в діапазоні видимого світла, а при ядерному вибуху (К) велика частка енергії вибуху несеться короткохвильовими рентгенівським і гамма випромінюванням.
Якщо кілька нагрітих випромінюючих тіл оточити ідеально відбиває, непроникною для випромінювання оболонкою (рис. 1.1), то після закінчення деякого проміжку часу в системі “випромінюючі тіла + випромінювання в порожнині” встановиться термодинамічна рівновага. Це означає, що температури всіх тіл вирівняються, а розподіл енергії між тілами і випромінюванням не змінюватиметься з часом. Таке рівноважний стан системи стійко, тобто після всякого порушення його, стан рівноваги знову відновлюється. Термодинамічна рівновага встановиться і в порожнині, стінки якої виконані з будь-якого реального матеріалу і підтримуються при деякій незмінній температурі.
Рис.1.1
Рис. 1.1.
Здатність теплового випромінювання перебувати в рівновазі з випромінюючим тілом відрізняє теплове випромінювання від інших видів випромінювання тел. Тому, таке випромінювання, що знаходиться в рівновазі з випромінюючим тілом, будемо називати рівноважним.
Рівноважного випромінювання можна приписати температуру тіла, з яким воно знаходиться в рівновазі, поширивши при цьому закони рівноважної термодинаміки на теплове випромінювання. Це означає, що для рівноважного теплового випромінювання можна визначити і розрахувати внутрішню енергію, тиск, ентропію та інші термодинамічні характеристики, які не будуть змінюватися з часом.
Рівноважний теплове випромінювання однорідне, тобто його щільність енергії однакова у всіх точках всередині порожнини, де вона укладена. Таке випромінювання изотропно і неполяризованого – воно містить всі можливі напрями поширення та напрямки коливань векторів і.
Абсолютно чорне тіло є еталонним тілом в теорії теплового випромінювання. І, хоча в природі немає абсолютно чорного тіла, досить просто реалізувати модель, для якої поглощательная здатність на всіх частотах буде дуже малий відрізнятися від одиниці. Таку модель абсолютно чорного тіла можна виготовити у вигляді замкнутої порожнини (рис. 1.3), забезпеченою малим отвором, діаметр якого значно менше поперечних розмірів порожнини. При цьому порожнина може мати практично будь-яку форму і бути виготовленої з будь-якого матеріалу.
Малий отвір має властивість майже повністю поглинати падаюче на нього випромінювання, причому зі зменшенням розміру отвору його поглощательная здатність прагне до одиниці. Дійсно, випромінювання через отвір потрапляє на стінки порожнини, частково поглинаючись ними. При малих розмірах отвору промінь повинен зазнати безліч відображень, перш ніж він зможе вийти з отвору, тобто, формально, відбитися від нього. При багаторазових повторних перевідбиттів на стінках порожнини випромінювання, що потрапило в порожнину, практично повністю поглине.
Закон Кірхгофа. Між іспускательной і поглощательная властивостями будь-якого тіла повинна існувати зв’язок. Адже в досліді з рівноважним тепловим випромінюванням (рис. 1.1) рівновагу в системі може встановитися тільки в тому випадку, якщо кожне тіло буде випромінювати в одиницю часу стільки ж енергії, скільки воно поглинає. Це означає, що тіла, інтенсивніше поглинають випромінювання якої-небудь частоти, будуть це випромінювання інтенсивніше і випускати.
Тому, відповідно з таким принципом детального рівноваги, ставлення іспускательной і поглощательной здібностей однаково для всіх тіл у природі, включаючи абсолютно чорне тіло, і при даній температурі є однією і тією ж універсальною функцією частоти (довжини хвилі).
Радіаційну температуру сильно нагрітих розпечених тіл можна визначити за допомогою радіаційного пірометра (рис. 1.5), в якому зображення досить віддаленого нагрітого джерела І проектується за допомогою об’єктиву на приймач П так, щоб зображення випромінювача повністю перекривало приймач. Для оцінки енергії випромінювання, що потрапив на приймач, зазвичай використовуються металеві або напівпровідникові болометри або термоелементи. Дія болометрів засноване на зміні електричного опору металу або напівпровідника при зміні температури, викликаному поглинанням падаючого потоку випромінювання. Зміна температури поглинаючої поверхні термоелементів приводить до появи в них термо-ЕРС.
Показання приладу, приєднаного до болометра або термоелемента, виявляється пропорційним енергії випромінювання, що потрапила на приймач пірометра. Проградуювати попередньо пірометр по випромінюванню еталона абсолютно чорного тіла при різних температурах, можна за шкалою приладу вимірювати радіаційні температури різних нагрітих тіл.
Закон Вина називають законом зміщення, підкреслюючи тим самим, що при підвищенні температури абсолютно чорного тіла положення максимуму його іспускательной здатності зміщується в область коротких довжин хвиль. Результати експериментів, наведені на рис. 1.4, підтверджують цей висновок не тільки якісно, ??але і кількісно, ??суворо відповідно до формули (1.11).
Для реальних тіл закон Вина виконується лише якісно. З ростом температури будь-якого тіла довжина хвилі, поблизу якої тіло випромінює найбільше енергії, також зміщується в бік коротких довжин хвиль. Цей зсув, проте, вже не описується простою формулою (1.11), яку для випромінювання реальних тіл можна використовувати тільки як оціночну.
Нічне бачення. Вночі при відсутності сонячного світла людина у темряві перестає бачити оточуючі його предмети. Однак, всі вони, маючи ненульову температуру, випускають електромагнітне теплове випромінювання і вночі. За допомогою закону Вина (1.11) можна оцінити довжину хвилі, на яку припадає максимум іспускательной здатності тіла, якщо відома його температура. З цієї оцінки випливає, що при середній температурі тел порядку 300 К основна енергія їх теплового випромінювання припадає на інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі близько 10 мкм. Випромінювання у видимій області спектра (0,4 мкм
0,7 мкм) при таких температурах має занадто малу енергію і не може бути виявлено неозброєним оком.
Так як у бік неба система наземних тіл не є замкнутою, то рівноваги між тілами у поверхні Землі та їх випромінюванням не встановлюється. Тому всі тіла, температура яких дещо більше, ніж температура земної поверхні, можуть бути зафіксовані в мікрохвильовому діапазоні як випромінюючі об’єкти. Побачити такі джерела інфрачервоного випромінювання можна тільки за допомогою спеціальних приладів, в яких мікрохвильове невидиме оком випромінювання реєструється спеціальними датчиками інфрачервоного випромінювання і перетворюється в модульовані електричні сигнали, які управляють електронним пучком, що дає на екрані кінескопа видиме зображення предметів.
Наприкінці XX в. відбулася якісна зміна техніки нічного бачення, пов’язане зі створенням електронно-оптичних перетворювачів нового типу. За допомогою сучасних біноклів і прицілів нічного бачення спостерігач може отримати в темряві видиме зображення достатньо високої якості людини на відстані декількох сот метрів або рухомого танка на відстані кількох кілометрів. А пілотажні окуляри нічного бачення дозволяють експлуатувати гелікоптери в умовах обмеженої видимості практично цілодобово.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)