Характеристики теплового випромінювання - студопедія

Основною величиною, що характеризує тепловий стан тіл, є температура. Для спектральної характеристики теплового випромінювання вводиться поняття про випромінювальної (або випромінювальної) здатності тіла (її часто також називають спектральної щільністю енергетичної світності тіла) r # 955;, T. яка дорівнює

де - енергія електромагнітного випромінювання, що випускається за одиницю часу з елемента поверхні dS тіла в межах спектрального інтервалу довжин хвиль від # 955; до # 955; + d # 955; .

Таким чином, випромінювальна здатність тіла чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні цього тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль.

Випромінювальна здатність залежить як від довжини хвилі # 955 ;. поблизу якої взято інтервал d # 955 ;. так і від температури тіла T. З (1) видно, що в системі одиниць СІ r # 955; вимірюється в Дж / с · м 3.

Інтегральною характеристикою випромінювання є світність (інакше енергетична світність або інтегральна випромінювальна здатність) тел.

Світність R (T) - кількість енергії, що випромінюється одиницею поверхні тіла в одиницю часу у всьому інтервалі довжин хвиль від 0 до ∞.

Всі тіла в тій чи іншій мірі поглинають енергію падаючих на них електромагнітних хвиль. Спектральної характеристикою поглинання є поглощательная здатність тіла (або коефіцієнт монохроматичного поглинання):

показує, яка частка енергії dE # 955;, T. доставляється за одиницю часу на одиницю площі поверхні тіла падаючими на неї електромагнітними хвилями спектрального інтервалу d # 955 ;. поглинається тілом. Тобто - кількість енергії спектрального інтервалу d # 955 ;. поглинається майданчиком тіла dS в одиницю часу, а dE # 955;, T - кількість енергії того ж спектрального інтервалу, що падає в одиницю часу на цю площадку. Очевидно, що a # 955;, T - величина безрозмірна.

Залежність поглинальної здатності різних тіл від довжини хвилі при даній температурі наведені на рис.2.

При зміні температури довільного тіла ( «білого» тіла) характер кривої a # 955;, T = f (# 955 ;, T) може змінитися: промені, сильно поглинаються при одній температурі, можуть пропускатися при іншій температурі і навпаки (Ріс.2в ).

Тіло, яке поглинає повністю все падаюче на нього випромінювання будь-якої довжини хвилі при будь-якій температурі, називають абсолютно чорним (точніше абсолютно поглинає) тілом. Його поглощательная здатність для всіх довжин хвиль при будь-яких температурах дорівнює одиниці (рис.2). Абсолютно чорних тіл (АЧТ) в природі немає. Тіла, звані чорними, поглинають добре тільки випромінювання видимої області спектра, та й це випромінювання поглинають в повному обсязі. Так, наприклад, чорна папір, в яку загортають фотопластинки, поглинає тільки 95% падаючого світла. Сажа, найкраще поглинає промені видимого світла (98%), гірше поглинає інфрачервоне (ІЧ) випромінювання.

Гарною моделлю абсолютно чорного тіла є порожнисте тіло з невеликим порівняно з розмірами тіла отвором на поверхні (рис.3).

Луч, що потрапив всередину такої порожнини, може вийти з неї тільки після багаторазових відображень. При кожному відбитті від стінок порожнини частина енергії променя поглинається і лише незначна частка енергії променів, що потрапили в отвір, зможе вийти назад. Отже, поглинальна здатність отвори дуже близька до 1. Порожнина з малим отвором є практично абсолютно чорне тіло.

Відзначимо, що якщо стінки порожнини підтримувати при деякій температурі T, то отвір буде випромінювати, і це випромінювання з великим ступенем точності можна вважати випромінюванням абсолютно чорного тіла, що має температуру T.

Зустрічаються тіла, звані «сірими», для яких поглощательная здатність однакова для всіх частот і залежить тільки від температури (матеріалу і стану поверхні). Для них залежність поглинальної здатності від # 955; при даній температурі виражається прямий, ордината якої менше одиниці (рис.2б).

Всі тверді тіла в природі умовно можна розбити на 3 групи: 1) білі тіла # 961; = 1, а = 0 (відображають, але не поглинають). 2) абсолютно чорні тіла # 961; = 0, a = 1 (поглинають, але не відображають), # 961; = Коефіцієнт відображення, а - коефіцієнт поглинання. 3) сірі тіла 0<ρ<1, 0

Випромінювання, що потрапляє на отвір порожнини, перш ніж

вийти з неї, випробує багатократне віддзеркалення від стінок

порожнини. При кожному відбитті велика чать енергії

поглинається стінками порожнини так, що інтенсивність

випромінювання вийшов світла ≈ 0. Виходить, що отвір повністю поглинає світлову хвилю. Закон Кірхгофа формулюється інакше. Ставлення випромінювальної здатності тіла х його поглинальної здатності для всіх тіл є одна і та ж універсальна функція від # 955; і T, рівна випромінювальної здатності сірого тіла при тій же температурі.

r (з індексом # 955;) / a (інд. # 955;) = f (# 955 ;, T) = r (інд. # 955;) (в).

Закон Кірхгофа. Ставлення спектральної щільності енергетичної світності до спектральної поглинальної здатності н.з. від природи тіла; воно є для всіх тіл універсальною ф-цією частоти. (Довжини хвилі) і температури:. Для чорного тіла = 1, тому з закону К. випливає, що для чорного тіла дорівнює. Таким чином, універсальна функція Кірхгофа є не що інше, як спектральна щільність енергетичної світності чорного тіла. Енергетична світність АТЧ залежить тільки від температури, тобто Енергетична світність АТЧ пропорційна четвертого ступеня його термодинамічної температури:. де - постійна Больцмана. Цей закон - закон Стефана-Больцмана. Завдання відшукання виду функції Кірхгофа (з'ясування спектрального складу випромінювання ЧТ): Експерименти показали, що залежність при різних температурах ЧТ має вигляд см. Рис. При різний частотах. а в області високих частот (праві гілки кривих далеко від максимумів), залежність від частоти має вигляд. де - постійна величина.

Сущ-вання на кожній кривій більш-менш яскраво вираженого максимуму свідчить про те, що енергія випромінювання ЧТ розподілена по спектру нерівномірно: чорне тіло майже не випромінює енергії в області дуже малих і дуже великих частот. У міру підвищення температури тіла максимум зміщується в область високих частот. Площа, обмежена кривою і віссю абсцис, пропорційна енергетичної світності ЧТ. Тому відповідно до закону Стефана Больцмана вона зростає пропорційно

21. розподілу енергії в спектрі ВИПРОМІНЮВАННЯ АБСОЛЮТНО ЧОРНОГО ТІЛА

Визначити спектральний склад випромінювання АЧТ можна з допомогою моделі АЧТ. Якщо модель помістити в піч, температуру якої можна визначити потужність випромінювання d (c.2) Ф (з інд. # 955;) = r (інд. # 955;) # 8710; # 955; dS. У різних пектральних інтервалах і ставлення випромінювальної здатності в різних спектральних інтервалах.

r (інд. # 955; 1) (в) / r (інд. # 955; 2) (в) = d (c.2) Ф (інд. # 955; 1) # 8710; # 955; 2 / d (c.2) Ф (інд. # 955; 2) # 8710; # 955; 1.

Особливості цих залежностей:

1) спектр випромінювання АЧТ суцільний,

безперервний. 2) для кожної температури

існує максимум випромінювальної

здібності, положення якого при

збільшенні температури зміщується в

сторону коротких довжин хвиль. 3) Випромінювальна здатність з боку коротких довжин хвиль убуває більш різко, ніж з боку довгих хвиль