четвер, 27 січня 2022 р.

Теплове випромінювання

  Закони теплового випромінювання
 конспект 




Закон зміщення Віна


Теплове випромінювання - це результат перетворення внутрішньої енергії тіл в енергію електромагнітних коливань. При попаданні теплових променів (хвиль) на інше тіло, їх енергія частково поглинається ним, перетворюючись знову в внутрішню. Так відбувається променевий теплообмін між тілами.Теплообмін випромінюванням відбувається безупинно між тілами, довільно розташованими в просторі. Теплове випромінювання властиво всім тілам: твердим, рідким і газоподібним.

Теплове випромінювання як процес поширення електромагнітних хвиль характеризується довжиною хвилі λ та частотою коливань ν=с/λ, де с – швидкість світла у вакуумі.Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл неперервний. Ці тіла випускають промені, що різняться між собою довжиною хвилі λ, а отже, і своїми властивостями.

Розрізняють наступні види випромінювання: космічне, γ-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне й радіовипромінювання. У теплотехніку найбільший інтерес представляє теплове випромінювання при λ = 0,8 – 80 мкм. При температурах випромінюючого тіла до 1500° С таке випромінювання в основному інфрачервоне й частково видиме (λ = 0,4 – 0,8 мкм).Отже: тіла, нагріті до високої температури, набувають здатності світитися. Наприклад, розпечені тверді тіла випромінюють біле світло, яке має суцільний спектр частот. Із зниженням температури тіла зменшується інтенсивність його випромінювання, а у спектрі переважають довгі хвилі (червоні та інфрачервоні). При подальшому охолодженні тіло випромінює невидимі оком інфрачервоні промені.
Свічення тіл, зумовлене нагріванням, називається  тепловим  (температурним)  випромінюванням.

Теплове випромінювання є найпоширенішим у природі. Воно здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів і молекул речовини, тобто за рахунок внутрішньої енергії і тому залежить від температури речовини.

Оточимо випромінююче тіло оболонкою з ідеально відбивальною поверхнею. Повітря з оболонки відкачаємо. Відбите оболонкою випромінювання, потрапляючи на тіло, поглинається ним (частково або повністю). Буде відбуватися неперервний обмін енергією між тілом і випромінюванням, яке заповнює оболонку.
Якщо обмін енергії між тілом і випромінюванням залишається незмінним при кожній довжині хвилі, стан системи тіло – випромінювання буде рівноважним.
Дослід показує, що єдиним видом випромінювання, яке може знаходитися в рівновазі з випромінюючими тілами, є теплове випромінювання.

Здатність теплового випромінювання знаходитись в рівновазі з випромінюючими тілами зумовлена тим, що його ін­тенсивність зростає при підвищенні температури. Порушення рівноваги в системі тіло – випромінювання викликає виникнення процесів, що відновлюють рівновагу.

Рівноважне випромінювання однорідне і неполяризоване, напрямки його поширення у порожнині рівноймовірні. Будь-яке випромінювання характеризується об’ємною густиною та спектральною густиною енергії випромінювання.


Об’ємна густина w енергії випромінювання дорівнює сумарній енергії одиниці об’єму електромагнітних хвиль усіх можливих частот (0≤ν≤∞). А спект­ральна густина енергії випромінювання дорівнює енергії одиниці об’єму електромагнітних хвиль вузького інтервалу частот ν, ν+Δν або інтервалу довжин хвиль λ, λ+Δλ. 

Тіло, яке здатне поглинати повністю при будь-якій температурі всю енергію електромагнітних хвиль, які падають на нього, незалежно від їх частоти, називається абсолютно чорним.

Закон Кірхгофавідношення випромінювальної здатності тіла до його поглинальної здатності не залежить від матеріалу тіла; воно є для всіх тіл універсальною функцією частоти ν і температури Т.

1. Інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від температури і частоти визначається законом Планка: 


де І(ν) – потужність випромінювання на одиницю площі поверхні випромінювання в одиницю тілесного кута в діапазоні частот ν, ν+Δν .

2. Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана-Больцмана:
W = σT4

де W – потужність на одиницю площі поверхні випромінювання, а
σ ≈ 5,6704·10-8 Вт/(м2·К4) – постійна Стефана-Больцмана.

3. Довжина хвилі, при якій енергія випромінювання максимальна, визначається законом зсуву Віна:
λmax = 0,002898/Т

де Т – температура (в кельвінах), λmax – довжина хвилі з максмальною інтенсивністю (в метрах), а число 0,002898 називають сталою Віна (м·К).



Поняттям абсолютно чорного тіла широко користуються в астрофізиці. Випромінювання Сонця близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 6000К. Увесь Всесвіт пронизаний так званим реліктовим випромінюванням, близьким до випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою ≈3К. Порівняння повного випромінювання зірок з випромінюванням такого тіла, дозволяє наближено оцінити ефективну температуру зірки. Відхилення випромінювання зорі від випромінювання абсолютно чорного тіла часто буває досить помітним. У глибині Сонця та зірок, нагрітих до десятків мільйонів градусів, випромінювання з високою точністю відповідає такому випромінюванню.



Старе добре відео...