73209

Тепловое излучение

Лекция

Физика

Энергетической светимостью тела называется поток энергии мощность светового излучения испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям. Энергетическая светимость является функцией частоты длины волны и температуры тела...

Русский

2014-12-05

162.5 KB

2 чел.

Лекция №26. Тепловое излучение.

I. Основные фотометрические величины.

Электромагнитная волна несёт с собой энергию, плотность потока которой, даётся вектором Умова-Пойтинга:

,        (1)

где  – показывает мгновенную плотность потока энергии.

Фотометрией называется область оптики, в которой рассматриваются измерения энергии, переносимой электромагнитными волнами оптического диапазона (10-8  3,4 10-3м).

Действия видимого света на глаз человека зависят не только от физических характеристик света (плотности потока, энергии, частоты), но и от спектральной чувствительности глаза (видности) V.

Распределение энергии светового потока по длинам волн характеризуется функцией:

– спектральная плотность световой мощности, где

dФэ – поток световой энергии (мощности светового излучения), приходящийся на длины волн от до + d.

Поток энергии, переносимый волнами, заключённый в конечном интервале от 1 до 2 .

      (2)

1. Световой поток.

Световым потоком Ф называют мощность светового (видимого) излучения, оцениваемую по её действию на нормальный глаз (по зрительному ощущению).

      (3)

[Ф] = Люмен; 1лм = 1св·1стер

2. Точечный источник света.

Источник света, который излучает сферические волны и размерами которого можно пренебречь, называется точечным источником света.

3. Сила света.

Силой света I называется величина, численно равная световому потоку, излучаемому источником в один телесный угол.

       (4)

В общем случае, сила света зависит от направления. Для изотропного источника:

,

где Ф – световой поток по всем направлениям.

Если источник протяжённый, тогда под dФ надо понимать световой поток, излучаемый поверхностью dS в пределах телесного угла d.

4. Освещённость.

Степень освещённости некоторой поверхности падающим светом характеризуется величиной, называемая освещённость:

  

В случае точечного источника света

       (5)

5. Яркость.

Яркостью называется поверхностная плотность силы света в заданном направлении.

       (6)

II. Характеристики теплового излучения.

Свечение тел может быть вызвано различными причинами, т.е. энергия, расходуемая светящимся телом на излучение, может пополняться из различных источников:

а) за счёт химических реакций – хемилюминесценция;

б) за счёт самостоятельного газового разряда – электролюминесценция;

в) бомбардировка электронами – катодолюминесценция;

г) облучение светом – фотолюминесценция;

холодное излучение

д) обусловленное нагреванием тел –

тепловое излучение

Тепловое излучение имеет место при любой температуре (при очень низкой – длинное (инфракрасное), при высокой – короткое (ультрафиолетовое)).

Тепловое изучение – излучение равновесное (распределение энергии между телом и излучением неизменно). Следовательно, тепловое излучение должно подчиняться некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики.

1. Энергетическая светимость тела RЭ.

       (7)

Энергетической светимостью тела называется поток энергии (мощность светового излучения), испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям.

Энергетическая светимость является функцией частоты (длины волны) и температуры тела:

  

  

2. Испускательная способность тела r.

Обозначив энергетическую светимость, испускаемую единицей поверхности тела в интервале длин волн d через dR, получим, что при малой величине интервала d, поток dR будет пропорционален d:

,       (8)

где rT – называется испускательной способностью тела.

3. Поглощательная способность тела T.

Величина, показывающая какая часть светового потока, переносимого электромагнитными волнами поглощается телом (средой) при данной температуре, называется поглощательной способностью тела.

, где       (9)

dФ – поток лучистой энергии, переносимый электромагнитными волнами, длины которых заключены в интервале d;

T – функция и T.

В зависимости от значений T тела по поглощательной способности делятся на:

Пример абсолютно чёрного тела

а) тело, которое поглощает излучение и для которого T = const < 1, называется серым.

б) тело, которое полностью поглощает излучение и для которого T  1, называется абсолютно чёрным.

в) тело, которое поглощает излучение и для которого T = 0 называется абсолютно белым.

III. Законы теплового излучения.

1. Закон Кирхгофа – немецкий физик (1859 г.).

Между испускательной rТ и поглощательной T способностями любого типа имеется определённая связь.

Пример:

Имеется замкнутая оболочка при температуре Т. Тела обмениваются энергией между собой и оболочкой путём излучения и поглощения. Через некоторое время будет тепловое равновесие. В таком состоянии, тело с большей r теряет в единицу времени с единицы поверхности больше энергии, чем тело обладающее меньшей r. Т.к. Т = const, то и поглощательные способности у них разные.

Закон Кирхгофа

Соотношение испускательной rТ и поглощающей T способностей не зависит от природы тела, а является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны и температуры.

       (10)

где  – функция спектрального распределения (спектральная плотность абсолютно чёрного тела).

Зная, что для абсолютно чёрного тела T = 1, получаем, что функция  равна испускательной способности rT абсолютно чёрного тела.

      (11)

Основная задача – найти вид функции . Решению этой задачи посвятили свои усилия многие физики.

2. Формула Рэлея-Джинса.

Строгое решение этой задачи (нахождение вида функции ) дали Рэлей и Джинс. Они исходили из рассмотрения стоячих электромагнитных волн в замкнутой полости. Определялось число независимых волн в данном интервале d, а затем к этим волнам применялся классический закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы (на одну степень свободы ).

,      (12)

где k – постоянная Больцмана.

Эта формула хорошо согласуется с экспериментом для больших , а при коротких уходит в бесконечность.

Если подставить это выражение f(,Т) в формулу потока энергии, испускаемого единицей поверхности , то проинтегрировав в пределах от 0 до , получим:

Это положение (расхождение) называется «ультрафиолетовая катастрофа», т.к. расхождение наблюдается при коротких , соответствующих ультрафиолетовой части спектра.

3. Формула Планка.

Все противоречия были разрешены Планком в 1900г. Он предположил, что излучение и поглощение света не непрерывно, а в виде отдельных порций (квантов).

Энергия кванта:  

Исходя из гипотезы о квантах, М.Планк предложил формулу для спектральной излучательной способности абсолютно чёрного тела в виде:

,      (13)

которая очень хорошо согласуется с опытом.

4. Закон Стефана – Больцмана.

Австрийский физик Йозеф Стефан, в 1879г., анализируя экспериментальные данные, пришёл к выводу, что энергетическая светимость RЭ абсолютно чёрного тела пропорционально четвёртой степени его температуры.

RЭ ~ Т

Австрийский физик Людвиг Больцман в 1884г., исходя из термодинамических соображений, получил теоретически для RЭ абсолютно чёрного тела значение:

     (14)

Закон Стефана-Больцмана следует из формулы Планка:

Закон

Стефана-Больцмана

, где

σ – постоянная Стефана-Больцмана

Суммарная энергия излучения по всем длинам волн, испускаемая площадкой S абсолютно чёрного тела за время равна:

или

5. Распределение энергии в спектре теплового излучения.

Тепловое излучение тел, находящихся в термодинамическом равновесии, имеет сплошной спектр, т.е. излучаются волны всех длин волн. Представим график излучательной способности.

1) площадь, ограниченная кривой и осью , равна энергии излучения (Еизл);

2) при низких Т излучение преимущественно инфракрасное;

3) спектр излучения сплошной;

4) распределение энергии зависит от и имеет максимум при m;

5) при повышении Т максимум r,T смещается в коротковолновую часть спектра. Смещение резкое.

Немецкий физик Вильгельм Вин, в 1893г. и 1896г., исследуя распределение энергии в спектре теплового излучения абсолютно чёрного тела, установил законы:

Закон

Смещения Вина

Длина волны m, на которую приходится максимум испускательной способности rTmax (максимум спектральной плотности f(Т)) обратно пропорциональна абсолютной температуре Т абсолютно чёрного тела.

     (15)

Второй закон Вина (закон излучения)

Максимальное значение испускательной способности  (максимум спектральной плотности f(Т)) возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

      (16)

С` = 2,89 10-3 мК; С˝ = 1,3 10-14 Вт/мК5 – постоянные законов Вина.


α

dS

r

φ

dS

RЭ

λ

rλ:T

эксперим.

Формула Р – Д

λ

fλ:T

Еизл.

T4 > T3 > T2 > T1

Т4

Т3

Т2

ультраф.

инфрокрасн.

видим.

(380 – 760 мм)

λ

rλ:T

Т1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72714. Оптимизация каналов реализации продукции 37.5 KB
  Постановка задачи Определить оптимальную структуру каналов реализации получения максимальной выручки от реализации продукции. Известна цена реализации продукции по каждому каналу реализации табл. цена реализации продукции тыс.
72715. Знакомство со средой программирования C++ Builder 6 394 KB
  Цель работы: Знакомство с оболочкой среды визуального программирования C++Builder. Получение навыков создания простейших приложений. Методические указания. В ходе выполнения лабораторной работы необходимо, используя предложенную последовательность действий, ознакомиться с интерфейсом...
72716. Изучение основных компонентов среды С++ Builder 6: Button, Edit, Label. Решение алгебраических задач 443.5 KB
  Из главной формы необходимо вызвать вторую форму нажатием кнопки мыши на поле главной формы. На поле второй формы должны быть расположены поле для ввода числа поле результата суммирования вводимых чисел поля ввода и вывода чисел должны иметь поясняющий текст.
72717. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ 336 KB
  Чаще всего для определения кинематической вязкости используют стеклянные вискозиметры в которых испытуемая жидкость протекает через капиллярные трубки определенного диаметра. В основе этого метода лежит известная формула Пуазейля для динамической вязкости...
72718. ПОЛІПЛОЇДІЯ 44 KB
  За характером змін генотипу розрізняють: геномні мутації пов’язані із зміною кількості хромосом; хромосомні мутації структурні зміни хромосом втрата переміщення подвоєння окремих ділянок перекомбінація фрагментів пошкоджених хромосом.
72719. Безопасность жизнедеятельности, лабораторный практикум 11.15 MB
  Исследование параметров естественного и искусственного производственного освещения. Исследование производственного шума и эффективности борьбы с ним. Исследование условий воспламенения горючих веществ от статического электричества...
72720. СОЗДАНИЕ WEB-СТРАНИЦ С ПОМОЩЬЮ ЯЗЫКА HTML 470 KB
  HTML представляет собой совокупность достаточно простых команд которые вставляются в исходный текст документа SCIIфайл и позволяют управлять представлением этого документа на экране дисплея. Таким образом текст подготовленный в любом текстовом редакторе и сохраненный в обычном...
72722. Творожные шарики, жареные «фри» 56 KB
  Творог протирают, добавляют яичные желтки, растертые с сахаром, картофельный крахмал, подготовленный обсушенный изюм и все тщательно перемешивают. Затем в массу осторожно вводят взбитые беки и еще раз перемешивают. Из полученной массы формуют шарики, панируют в муке и жарят во фритюре.