Топлинно излъчване, резюмета
1. Концепцията за топлинно излъчване и неговите характеристики
Топлинното излъчване е електромагнитно излъчване, което се дължи на енергията на въртеливото и вибрационното движение на атомите и молекулите в състава на веществото. Топлинното излъчване е характерно за всички тела, чиято температура надвишава температурата на абсолютната нула.
Топлинното излъчване на човешкото тяло принадлежи към инфрачервения диапазон на електромагнитните вълни. За първи път подобно лъчение е открито от английския астроном Уилям Хершел. През 1865 г. английският физик Дж. Максуел доказва, че инфрачервеното лъчение има електромагнитна природа и представлява вълни с дължина от 760 nm до 1-2 mm. Най-често целият диапазон на инфрачервеното лъчение се разделя на региони: близък (750nm-2.500nm), среден (2.500nm-50.000nm) и далечен (50.000nm-2.000.000nm).
Нека разгледаме случая, когато тяло A се намира в кухина B, която е ограничена от идеална отразяваща (непроницаема за радиация) обвивка C (фиг. 1). В резултат на многократно отражение от вътрешната повърхност на обвивката, радиацията ще остане в рамките на огледалната кухина и ще бъде частично погълната от тяло А. При такива условия системата кухина В - тяло А няма да загуби енергия, а само ще настъпи непрекъснат обмен на енергия между тяло А и радиацията, която запълва кухина В.
Фиг. 1. Многократно отражение на топлинни вълни от огледалните стени на кухина B
Ако разпределението на енергията остане непроменено за всяка дължина на вълната, тогава състоянието на такава система ще бъде в равновесие и излъчването също ще бъде в равновесие. Единственият вид равновесно излъчване е топлинното. Ако по някаква причина балансът между радиацията и тялото се измести, тогава започват да протичат такива термодинамични процеси, коитовърнете системата в равновесие. Ако тяло А започне да излъчва повече, отколкото поглъща, тогава тялото започва да губи вътрешна енергия и температурата на тялото (като мярка за вътрешна енергия) ще започне да пада, което ще намали количеството излъчена енергия. Температурата на тялото ще спада, докато количеството излъчена енергия стане равно на количеството енергия, погълнато от тялото. Така ще настъпи равновесно състояние.
Равновесното топлинно излъчване има следните свойства: хомогенно (еднаква плътност на енергийния поток във всички точки на кухината), изотропно (възможните посоки на разпространение са равновероятни), неполяризирано (посоките и стойностите на векторите на електрическите и магнитните полета във всички точки на кухината се променят произволно).
Основните количествени характеристики на топлинното излъчване са:
- енергийната светимост е количеството енергия на електромагнитното излъчване в целия диапазон на дължината на вълната на топлинното излъчване, което се излъчва от тялото във всички посоки от единица повърхностна площ за единица време: R = E / (S t), [J / (m2s)] = [W / m2] Енергийната яркост зависи от естеството на тялото, телесната температура, състоянието на повърхността на тялото и дължината на вълната на излъчване.
- спектрална плътност на енергийната светимост - енергийната светимост на тялото за дадени дължини на вълните (λ + dλ) при дадена температура (T + dT): Rλ, T = f(λ, T).
Светимостта на тяло в определени дължини на вълната се изчислява чрез интегриране на Rλ, T = f(λ, T) за T = const:
- коефициент на поглъщане - съотношението на погълнатата от тялото енергия към падащата енергия. Така че, ако радиацията на потока dFfall пада върху тялото, тогава една част от него се отразява от повърхността на тялото - dFоtr, другата част преминава в тялото и частичносе превръща в топлина dФabs, а третата част след няколко вътрешни отражения преминава през тялото навън dФpr : α = dФabs / dФfall.
Коефициентът на поглъщане α зависи от естеството на поглъщащото тяло, дължината на вълната на погълнатото лъчение, температурата и състоянието на повърхността на тялото.
- коефициент на монохроматично поглъщане - коефициент на поглъщане на топлинно излъчване с дадена дължина на вълната при дадена температура: αλ, T = f(λ, T)
Сред телата има такива тела, които могат да абсорбират цялото топлинно лъчение с всяка дължина на вълната, което пада върху тях. Такива идеално абсорбиращи тела се наричат абсолютно черни тела. За тях α =1.