Тепловое излучение тел

Поглощение и рассеяние излучения. Закон Бугера. Рассеяние излучения в мутных средах.

Под поглощ света понимают превращ энергии свет волны из электромагн формы во внутр энергию (тепловую) среды, в которой проходит волна. Поглощ света описывается законом Бугера:

, где l- толщина погл слоя, k-коэф.

k обратнопропорц толщине поглощ слоя, при прохожд которого световой волны ум в раз; зависит от природы и плотности в-ва.

Если слой не только поглощ свет, но и отражает его, то, R-коэф отраж.

С отражением света может происходить его рассеивание, под которым понимают перераспределение энергии св волны по разным направления из-за дифракции на мелких неоднор телах среды, называемые мутными (дым, туман).

при d<<λ и при d=λ.

Доп особенность света явл его поляриз при рассеивании на 90⁰ в направл ⊥ падающему лучу. В естеств. свете колебания E можно разложить на 2 взаимно⊥ направления, которые вызывают вынужденное колебание электронов в в-ве. Электроны, связанные с атомом представл собой диполи, излуча-ие электромагн волны в направл ⊥ своей оси.

Тепловое излучение. Энергетическая светимость. Спектральная плотность светимости. Абсолютно чёрное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана.

Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.

Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:

1. Энергетическая светимость R ( T ) - количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела, во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ R(T) имеет размерность [Вт/м²].

2. Спектральная плотность энергетической светимости r(l,Т) = dW/dl - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны l). Т.е. эта величина численно равна отношению энергии dW, испускаемой с единицы площади в единицу времени в узком интервале длин волн от l до l+dl, к ширине этого интервала. Она зависит от температуры тела, длины волны, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИ r(l, T) имеет размерность [Вт/м³].

Энергетическая светимость R(T) связана со спектральной плотностью энергетической светимости r(l, T) следующим образом:

(1) [Вт/м²]

3. Все тела не только излучают, но и поглощают падающие на их поверхность электромагнитные волны. Для определения поглощательной способности тел по отношению к электромагнитным волнам определенной длины волны вводится понятие коэффициента монохроматического поглощения - отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:

(2)

Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина a (l,T) может принимать значения от 0 до 1.

Излучение в адиабатически замкнутой системе (не обменивающейся теплотой с внешней средой) называется равновесным. Если создать маленькое отверстие в стенке полости состояние равновесия измениться слабо и выходящее из полости излучение будет соответствовать равновесному излучению.

Если в такое отверстие направить луч, то после многократных отражений и поглощения на стенках полости он не сможет выйти обратно наружу. Это значит, что для такого отверстия коэффициент поглощения a (l, T) = 1.

Рассмотренная замкнутая полость с небольшим отверстием служит одной из моделей абсолютно черного тела.

Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации (ничего не отражая и не пропуская).

Для абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости является некоторой универсальной функцией длины волны и температуры f(l,T) и не зависит от его природы.

Все тела в природе частично отражают падающее на их поверхность излучение и поэтому не относятся к абсолютно черным телам. Если коэффициент монохроматического поглощения тела одинаков для всех длин волн и меньше единицы (a(l, T) = a_Т = const<1), то такое тело называется серым. Коэффициент монохроматического поглощения серого тела зависит только от температуры тела, его природы и состояния его поверхности.

Кирхгофом было показано, что для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения является той же универсальной функцией длины волны и температуры f(l,T), что и спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:

(3)

Уравнение (3) представляет собой закон Кирхгофа.

Закон Кирхгофа можно сформулировать таким образом: для всех тел системы, находящихся в термодинамическом равновесии, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения не зависит от природы тела, является одинаковой для всех тел функцией, зависящей от длины волны l и температуры Т.

Из вышесказанного и формулы (3) ясно, что при данной температуре сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения, а наиболее сильно излучают абсолютно черные тела. Так как для абсолютно черного тела a(l, T)=1, то из формулы (3) следует, что универсальная функция f (l, T) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела

2.3.4. Закон Стефана – Больцмана

Больцман из термодинамических представлений получили зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры:

(11)

где постоянная σ =5.67 10^-8 Вт/(м² К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана.

Из выражения (11) можно сформулировать закон Стефана-Больцмана:

Энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени его термодинамической температуры.

Формулу (11) можно получить, используя формулу Планка (5). Для этого необходимо в формулу (1) подставить выражение (5) и провести интегрирование по всем длинам волн (от нуля до бесконечности):

(12)

Введем новую переменную:

(13)

Подставив (13) в (12), получим:

(14)

Если учесть, что значение несобственного интеграла в (14) равно π ⁴/15, получим:

(15)

Из сравнения (11) с (15) следует, что постоянная Стефана-Больцмана равна:

(16)

Дата добавления: 2014-01-06