• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Теплове випромінювання. Абсолютно чорне тіло. Закон Кірхгофа

РОЗДІЛ ІІІ. КВАНТОВА ПРИРОДА ВИПРОМІНЮВАННЯ

Тіла, які мають температуру Т>0К випромінюють електромагнітні хвилі в певному інтервалі довжин хвиль (частот). Наприклад, тверді тіла нагріті до досить високої температури набувають здатності світитися, випромінюючи біле світло, яке має суцільний спектр довжин хвиль. Із зниженням температури тіла зменшується інтенсивність його випромінювання, а у спектрі переважають довгі хвилі (червоні та інфрачервоні).

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.

Досліди показують, 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.

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 в усьому діапазоні можливих частот . Cпектральна густина енергії випромінювання дорівнює енергії одиниці об’єму електромагнітних хвиль вузького інтервалу частот або інтервалу довжин хвиль .

Для рівноважного випромінювання спектральна густина енергії є функцією частоти і температури – або функцією довжини хвилі і температури – .

Об’ємна густина енергії рівноважного випромінювання є універсальною функцією тільки температури і визначається інтегруванням функції або в усьому інтервалі частот або довжин хвиль:

. (3.1)

Введемо поняття, які характеризують теплове випромінювання і поглинання тіл.

Кількість енергії, що випромінюється з одиниці поверхні тіла за одну секунду в усьому діапазоні можливих частот і в усіх напрямках називається інтегральною випромінювальною здатністю , або енергетичною світністю тіла.

Дослідження показують, що енергія випромінювання розподіляється між всіма частотами хвиль, які випромінюються нагрітим тілом.

Потужність випромінювання з одиниці площі поверхні тіла в одиничному інтервалі частот називається спектральною випромінювальною здатністю тіла:

, (3.2)

де - енергія електромагнітного випромінювання, що випромінюється за одиницю часу з одиниці площі поверхні тіла в інтервалі частот від до .

Випромінювальна здатність може бути представлена і як функція довжини хвилі. Тоді ділянці спектра буде відповідати інтервал довжин хвиль :

.

Інтегральна випромінювальна здатність тіла зв’язана з спектральною випромінювальною здатністю співвідношенням:

. (3.3)

Всі тіла тією чи іншою мірою поглинають енергію електромагнітних хвиль, які падають на них.

Поглинальна здатність тіла А_Т дорівнює відношенню енергії, що поглинається тілом за одиницю часу одиницею площі, до енергії, що падає на тіло при даній температурі.

Спектральна поглинальна здатність тіла показує, яка частина енергії , що доставляється за одиницю часу на одиницю поверхні тіла в діапазоні частот хвиль від до , поглинається тілом:

. (3.4)

Спектральна поглинальна здатність – величина безрозмірна.

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

Спектральна поглинальна здатність абсолютно чорного тіла для всіх частот і температур.

Випромінювальну здатність абсолютно чорного тіла позначимо . Вона залежить тільки від частоти і абсолютної температури тіла .

Поряд з поняттям абсолютно чорного тіла використовують поняття сірого тіла – тіла, спектральна поглинальна здатність якого менша від одиниці, але однакова для всіх частот і залежить лише від температури, матеріалу і стану поверхні тіла:

.

Кірхгоф, спираючись на закони термодинаміки й аналізуючи умови рівноважного випромінювання в ізольованій системі тіл, встановив кількісний зв’язок між випромінювальною здатністю тіла і його поглинальною здатністю.

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

. (3.5)

Для абсолютно чорного тіла , тому , тобто універсальна функція Кірхгофа , є не що інше, як випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла.

Для довільного тіла і тому в довільній області спектра . Якщо тіло не поглинає електромагнітні хвилі якоїсь частоти, то воно їх і не випромінює, оскільки при , .

Використовуючи закон Кірхгофа, виразу для інтегральної випромінювальної здатності можна надати вигляду:

.

Для сірого тіла

,

де – інтегральна випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, яке залежить лише від абсолютної температури Т.

Переглядів: 7200

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

© studopedia.com.ua При використанні або копіюванні матеріалів пряме посилання на сайт обов'язкове.