Характеристики теплового излучения

Лекция № 5

Тема 5. Тепловое излучение

5.1. Характеристики теплового излучения.

5.2. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа.

5.3. Законы Стефана − Больцмана и Вина.

5.4. Квантовая гипотеза и формула Планка для описания излучения абсолютно черного тела.

Тепловое излучение является самым распространённым в природе и совершается за счёт энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т.е. за счёт внутренней энергии вещества) и свойственно всем телам при температуре выше абсолютного нуля. В случае изолированной термодинамической системы электромагнитные волны испускаются за счет внутренней энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии между собой и своим излучением (равновесное тепловое излучение). Если энергия, расходуемая телом на тепловое излучение, не восполняется за счет соответствующего количества теплоты, подведенного к телу, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается. В теплоизолированной системе, все тела которой находятся при одной и той же температуре устанавливается термодинамическое равновесие. При равновесии энергия, расходуемая каждым из тел системы на тепловое излучение, компенсируется путем поглощения этим телом такого же количества энергии падающего на него излучения.

Тепловое излучение при любой температуре тела содержит электромагнитные волны всевозможных частот, однако при низких температурах тела преимущественно излучают волны инфракрасного диапазона. Так как тепловое излучение является равновесным, то для описания его свойств можно использовать законы термодинамики.

Все остальные виды излучения тел являются неравновесными и называются люминесценцией. В этом случае излучение возникает под воздействием внешних факторов (т.е. излучающая система является незамкнутой) или вследствие протекания необратимых химических реакций. Люминесценцию, возникающую под действием света, называют фотолюминесценцией, под воздействием потока электронов – катодолюминесценцией, под воздействием электрического поля – электролюминесценцией, при химических превращениях – хемилюминесценцией. Люминесцирующие вещества называются люминофорами.

Количественной характеристикой интенсивности теплового излучения является энергетическая светимость R_T, под которой понимают энергию, испускаемую единицей поверхности нагретого тела в единицу времени во всех направлениях. Единица энергетической светимости в системе СИ - 1 Вт/м². Энергетическая светимость тела зависит от его температуры. Эта величина является интегральной характеристикой излучающего тела, так как описывает излучаемую энергию, приходящуюся на весь диапазон частот или длин волн.

Спектральной характеристикой теплового излучения тела служит его испускательная способность (или спектральная плотность энергетической светимости), которая равна энергии излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n+dn или длин волн l до l+dl:

или . (5.1.1)

Длина l и частота n электромагнитной волны связаны соотношением

, (5.1.3)

где с - скорость света в вакууме.

Дифференцируя выражение (5.1.3)

, (5.1.4)

и подставляя выражение (5.1.4) в (5.1.1) получим уравнение связи между величинами и

, (5.1.5)

или

. (5.1.6)

Испускательная способность и энергетическая светимость связаны между собой соотношением

. (5.1.7)

С учетом выражения (5.1.4) можно записать

. (5.1.8)

Спектральной характеристикой поглощения электромагнитных волн телом служит поглощательная способность тела (монохроматический коэффициент поглощения тела). Это физическая величина показывающая, какая доля энергии электромагнитного излучения dW, подающего за единицу времени на единицу площади поверхности тела с частотами в интервале частот n до n+dn, поглощается телом

. (5.1.9)

Отражательная способность тела (монохроматический коэффициент отражения тела) – это физическая величина показывающая, какая доля энергии электромагнитного излучения dW, подающего за единицу времени на единицу площади поверхности тела с частотами в интервале частот n до n+dn, отражается телом

. (5.1.10)

Если световой поток падает на непрозрачное тело, то он будет частично поглощаться и частично отражаться телом (большинство непрозрачных тел при небольшой толщине уже не пропускают излучение). На основе закона сохранения энергии, можно записать:

. (5.1.11)

Разделим выражение (5.1.11) на dW и получим соотношением между отражательной и поглощательной способностями тела:

. (5.1.12)

Следует отметить, что испускательная, отражательная и поглощательная способности тела зависят от частоты излучения, температуры тела, его химического состава и состояния поверхности.

Дата добавления: 2015-06-04