Что называют тепловым излучением

Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра, т.е на длины волн от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме.

Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.

Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.

Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).

Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Содержание

Основные свойства теплового излучения

Основные понятия и характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела

; Дж/с·м² = Вт/м²

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

Поглощающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот вблизи

где — поток энергии, поглощающейся телом.

— поток энергии, падающий на тело в области вблизи

Отражающая способность тела

Отражающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот вблизи

где — поток энергии, отражающейся от тела.

— поток энергии, падающий на тело в области вблизи

Абсолютно черное тело

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

— для абсолютно черного тела

Серое тело

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

— для серого тела

Объемная плотность энергии излучения

Объемная плотность энергии излучения — — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объема по всему спектру частот

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии — — функция частоты и температуры, связанная с объемной плотностью излучения формулой:

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно черного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

— для абсолютно черного тела

Основные законы теплового излучения

См. также

Литература

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Тепловое излучение» в других словарях:

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — (температурное излучение), эл. магн. излучение, испускаемое в вом и возникающее за счёт его внутр. энергии (в отличие, напр., от люминесценции, к рая возбуждается внеш. источниками энергии). Т. и. имеет сплошной спектр, положение максимума к рого … Физическая энциклопедия

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение тел, имеющих температуру выше абсолютного нуля. Тепловое излучение испускает, например, атмосфера Земли. В более узком смысле инфракрасное излучение. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция… … Экологический словарь

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение, которое испускает вещество, имеющее определенную температуру, за счет своей внутренней энергии. Если тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, оно называется равновесным, распределение… … Большой Энциклопедический словарь

тепловое излучение — температурное излучение Оптическое излучение, возникающее за счет тепловой энергии излучающей системы. Примечание Термин может применяться для обозначения как процессов излучения, так и результатов излучения. [Сборник рекомендуемых терминов.… … Справочник технического переводчика

Тепловое излучение — см. Излучение тепловое … Российская энциклопедия по охране труда

Тепловое излучение — – электромагнитное излучение вещества, возникающее вследствие его внутренней энергии и определяемое его термодинамической температурой и оптическими свойствами. [Терминологический словарь по бетону и железобетону. ФГУП «НИЦ «Строительство»… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — (температурное излучение) электромагнитное излучение (), возникающее за счёт внутренней (тепловой) энергии излучающего тела (твёрдого, жидкого, газообразного). Т. и. является одним из видов теплопередачи от одного тела к др. Т. и. абсолютно… … Большая политехническая энциклопедия

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ излучение, электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. Определяется температурой вещества. Попытка найти закон распределения энергии в спектре равновесного теплового излучения привела М. Планка к… … Современная энциклопедия

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, энергия, выделяемая твердыми телами, жидкостями или газами за счет их внутренней температуры, вне зависимости от ее числового выражения. Эта энергия возникает в результате колебания атомов объекта и выделяется в виде… … Научно-технический энциклопедический словарь

тепловое излучение — электромагнитное излучение, которое испускает вещество, имеющее определенную температуру, за счёт своей внутренней энергии. Если тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, оно называется равновесным, распределение… … Энциклопедический словарь

Источник

Тепловое излучение тел

Декабрь 2000 года стал юбилейным годом возникновения квантовой физики и открытия постоянной Планка. Именно Макс Планк сумел выявить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, чего классическая физика так и не смогла сделать. Он высказал гипотезу о колебательной системе, которая стала основным толчком для создания квантовой физики.

Температурное излучение

Источник, который излучает свет, забирает энергию. Существует большое количество механизмов, подводящих энергию к источнику света.

Когда такая энергия сообщается с помощью нагревания, ее принято называть тепловым или температурным излучением.

Изучение данного случая вызвало у физиков интерес, так как излучение могло находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.

После изучения закономерностей ученые хотели найти связь между термодинамикой и оптикой.

При помещении нескольких тел в замкнутую полость с зеркальными стенками, которые имеют разную температуру, то из опыта было установлено, что вся система со временем приходит к тепловому равновесию. То есть при обмене энергией они испускают и поглощают ее. Равновесное состояние говорит о том, что эти процессы компенсируются, а плотность энергии доходит до определенного значения, которое зависит только от установленной температуры тел замкнутого пространства.

Излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с определенной температурой, получило название равновесного или черного излучения. Плотность энергии и спектральный состав зависят от температуры.

При осмотре полости отверстия с установленным термодинамическим равновесием между излучением и нагретыми телами, глаза не смогут четко увидеть очертания тел и будет зафиксировано лишь свечение полости.

Если одно из тел полости может поглощать всю энергию любого спектрального состава, то тело называется абсолютно черным.

Заданная температура с тепловым излучением такого тела находится в состоянии теплового равновесия и имеет тот же спектральный состав, что и равновесие, которое его окружает. Иначе его установление было бы невозможно.

Поэтому задачи сводятся к исследованию спектрального состава абсолютно черного тела. Решить эту задачу классическая физика не может.

Чтобы равновесие было установлено в полости, необходимо испускание такого количества энергии, какое поглощают тела. Это является важнейшей закономерностью теплового излучения. Поэтому при заданной температуре абсолютно черное тело испускает больше энергии, чем другое тело, за промежуток времени.

Свет проникает через отверстие и с помощью отражений поглощается стенками, поэтому снаружи кажется совершенно черным. При разогревании полости до определенной температуры Т внутри устанавливается тепловое равновесие. Тогда излучение, выходящее через отверстие, можно отнести к изучению абсолютно черного тела. Исходя из рисунка, видно, как моделируется данное явление.

При увеличении температуры внутри полости энергия возрастает, спектральный состав изменяется.

Излучение черного тела

Конец ХХ века – это было время экспериментальных изучений. В 1879 году Йозеф Стефан проводил исследования.

В 1884 году Л. Больцман обнаружил данную зависимость. Такой закон получил название Стефана-Больцмана.

Излучательная способность абсолютно черного тела

Отсюда следует, что опыт имеет множество противоречий. Для решения задачи М. Планк основывался на классической физике.

Исследования показали, что энергия излучения и её поглощение нагретыми телами происходит с перерывами, так называемыми квантами.

Квантом называют минимальную порцию энергии, которая излучается или поглощается телом.

Гипотеза о прерывистом характере процессов излучения и поглощения излучения дала толчок на получение формулы спектральной совместимости абсолютно черного тела. Имеется форма записи формулы Планка, выражающая распределение энергии, исходя из частот, а не по длинам волн.

Значение с принимает скорость света, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Решение проблемы излучения черного тела говорило о появлении новой эры в физике, ученым пришлось отказаться от классических представлений для понятия квантования.

Источник

Общие сведения

В начале XIX века английский астроном и оптик Вильям Гершель, используя призму, наблюдал преломление солнечного света. В итоге он смог обнаружить, что тела при повышении температуры обладают излучением.

Лежало оно за пределами красной части спектра и получило название инфракрасное. Этот вид, как оказалось, в дальнейшем, был связан с природой колебаний атомов в кристаллической решётке и стал синонимом тепловому излучению.

Гершель установил, что инфракрасный свет подчиняется всем известным законам оптики. Через более чем сто лет советская учёная Глаголева-Аркадьева смогла получить опытным путём радиоволны, лежащие в области излучения совпадающим с тепловым. Это позволило заключить, что инфракрасный поток является разновидностью электромагнитной волны.

Условно тепловое излучение разделяют на три группы:

Как оказалось, инфракрасные лучи создаёт и тело человека. Но тепловое излучение оно может не только излучать, но и воспринимать. Оптик Харди предположил, что человек способен излучать в области характерной для абсолютно чёрного тела. Причём длина волны не зависит от возраста и других особенностей строения человеческого организма. Поэтому коэффициент излучения кожи приняли равным единице. Но практические исследования показали, что различия всё же есть. Оно несущественное и зависит от окружающей обстановки. Так, при температуре помещения 22 °C излучение уже нельзя отнести к коротковолновому.

Инфракрасный спектр наблюдается в вакууме. Его испускание можно обнаружить у нагретого металла, в земной атмосфере, на поверхности белого карлика. Оказалось, что излучение разных тел отличается не только длиной волны, но и интенсивностью. Но при этом наступает такой момент, когда физический объект находится в состоянии термодинамического равновесия. В этот момент неизменной остаётся не только температура, но и давление, объём, энтропия. Такое состояние часто называют равновесным. По сути, оно соответствует излучению спектра абсолютно чёрного тела и описывается формулой Планка.

Природа явления

Любое излучение не может существовать само по себе. Для его появления необходим источник. Испускаемое им излучение уносит энергию, которая после может принимать любой вид. Изучая закономерности тепловых лучей, учёные пытались установить связь между ними и световыми волнами. Простой опыт показывал, что если нагретое тело поместить в замкнутое пространство с зеркальными стенами, то через время все поверхности станут одинаковой температуры. Наступит тепловое равновесие.

После того как было изучено строение тел, открыты элементарные частицы и кристаллическая решётка, стало ясно, что любое твёрдое тело является излучателем электромагнитной волны. Обусловлено оно тем, что свободные частицы в равновесном состоянии обладают именно энергией, полученной за счёт тепловых колебаний. При этом обусловлено оно возбуждением атомов и молекул при соударениях.

Возбуждение частиц происходит за счёт того, что частицы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, сталкиваясь с молекулами, отдают им часть своей энергии. Но так как любая система всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбуждённые носители зарядов стремятся вернуться в предыдущее состояние, испуская при этом электромагнитную волну.

Естественно, теплоизлучение — это интенсивный процесс, но при этом зависящий от окружающих источник температур. Установлено, что вне зависимости от возникновения величина излучения снижается с уменьшением температуры. При достижении абсолютного нуля движение частиц прекращается. Следовательно, электромагнитная волна телом не генерируется, но в то же время оно остаётся способным поглощать энергию извне.

В зависимости от механизма тепловые колебания описываются следующим характеристиками:

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

В медицине с их помощью исследуют кровь, пульс. Кроме того, оказывая воздействие правильно подобранным нетепловым излучением на кожные рецепторы улучшают кровообращение, процессы метаболизма.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 100 0 С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Таким образом, закон Стефана — Больцмана представляет зависимость интенсивности излучения, а формула Вина определяет частоту испускаемой волны. Инфракрасное испускание — это основной механизм передачи тепла происходящий с помощью лучистой энергии. Его часто называют тепловой радиацией облучения.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.

Источник

Тепловое излучение: свойства, примеры, применение

Содержание:

В тепловое излучение Это энергия, передаваемая телом благодаря его температуре и в инфракрасных длинах волн электромагнитного спектра. Все тела без исключения излучают инфракрасное излучение, независимо от того, насколько низка их температура.

Бывает, что, когда они находятся в ускоренном движении, электрически заряженные частицы колеблются и благодаря своей кинетической энергии непрерывно излучают электромагнитные волны.

Свойства теплового излучения

Примечательным свойством, которое отличает этот механизм теплопередачи от других, является то, что для его создания не требуется материальная среда. Таким образом, энергия, излучаемая Солнцем, например, проходит 150 миллионов километров в космосе и непрерывно достигает Земли.

Существует математическая модель, чтобы узнать количество тепловой энергии, которую излучает объект в единицу времени:

Это уравнение известно под названием закона Стефана, и появляются следующие величины:

–Тепловая энергия в единицу временип, которая известна как мощность, а единицей измерения в Международной системе единиц является ватт или ватт (Вт).

-The Поверхностная область объекта, излучающего тепло К, в квадратных метрах.

-The излучательная способность (также называетсяэмиссия) объекта а также, безразмерная величина (без единиц измерения), значение которой находится в диапазоне от 0 до 1. Это связано с природой материала: например, зеркало имеет низкий коэффициент излучения, а очень темное тело имеет высокий коэффициент излучения.

-И наконец температураТ в кельвинах.

Примеры теплового излучения

Согласно закону Стефана, скорость, с которой объект излучает энергию, пропорциональна площади, излучательной способности и четвертой степени температуры.

Поскольку скорость излучения тепловой энергии зависит от четвертой степени Т, ясно, что небольшие изменения температуры будут иметь огромное влияние на испускаемое излучение. Например, если температура увеличится вдвое, излучение увеличится в 16 раз.

При рассмотрении а также как константа и применяется закон Стефана, как указано в начале, то объект называется серое тело.

Значения коэффициента излучения для некоторых веществ, считающихся серым телом, следующие:

-Полированный алюминий 0,05

-Человеческая кожа любого цвета 0.97

-Медь от 0,015 до 0,025

-Сталь от 0,06 до 0,25

Тепловое излучение Солнца

Наглядным примером объекта, излучающего тепловое излучение, является Солнце. По оценкам, каждую секунду примерно 1370 Дж энергии в форме электромагнитного излучения достигает Земли от Солнца.

Это значение известно как солнечная постоянная И у каждой планеты есть по одному, что зависит от ее среднего расстояния от Солнца.

Это излучение проходит перпендикулярно через каждые m 2 атмосферных слоев и находится распределенным в разных длинах волн.

Почти все они поступают в виде видимого света, но большая часть приходит в виде инфракрасного излучения, которое мы воспринимаем как тепло, а некоторые также как ультрафиолетовые лучи. Это большое количество энергии, достаточное для удовлетворения потребностей планеты, чтобы уловить ее и использовать должным образом.

С точки зрения длины волны, это диапазоны, в которых находится солнечное излучение, достигающее Земли:

–Видимый свет, от 0,7 до 0,4 мкм

–Ультрафиолетовый, менее 0,4 мкм

* 1 мкм = 1 микрометр или одна миллионная метра.

Закон Вина

На изображении ниже показано распределение излучения по длине волны для различных температур. Распределение подчиняется закону смещения Вина, согласно которому длина волны максимального излучения λ_{Максимум} обратно пропорциональна температуре T в кельвинах:

λ_{Максимум} Т = 2 898. 10 −3 m⋅K

Применение теплового излучения

Солнечная энергия

Большое количество энергии, излучаемой Солнцем, может храниться в устройствах, называемых коллекционеры, а затем преобразовать ее и использовать как электрическую энергию.

Инфракрасные камеры

Это камеры, которые, как следует из названия, работают в инфракрасной области, а не в видимом свете, как обычные камеры. Они используют тот факт, что все тела испускают тепловое излучение в большей или меньшей степени в зависимости от их температуры.

Пирометрия

Астрономия

Звездный свет очень хорошо моделируется с помощью приближения черного тела, как и вся Вселенная. Со своей стороны, закон Вина часто используется в астрономии для определения температуры звезд в соответствии с длиной волны излучаемого ими света.

Военная промышленность

Ракеты направляются на цель с помощью инфракрасных сигналов, которые стремятся обнаружить самые горячие участки в самолетах, такие как, например, двигатели.

Ссылки

Джабутикаба: 15 удивительных преимуществ для здоровья

Океаническая кора: характеристики и строение

Источник