ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 1 Тепловое излучение это

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 1

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение нагретых тел. То есть излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие их теплового движения, называется тепловым. 2

Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет любого другого вида энергии, называются люминесценцией: хемилюминесценция, например свечение фосфора, осуществляется за счет энергии химических реакций; электролюминесценция, за счет энергии электрического поля; катодолюминесценция вызывается бомбардировкой тел электронами; фотолюминесценция вызывается энергией, поглощенной телами электромагнитного излучения. 3

4

физические величины, характеризующие тепловое излучение. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называется энергетической светимостью тела (интегральная излучательная способность) -- поток излучения 5

На разных частотах мощность излучения неодинакова. Распределение мощности по частотам или длинам волн зависит от температуры. 6

В зависимости от выбора частотного спектра излучения или длинноволнового, соответственно вводятся физические величины, характеризующие излучение по шкале частот или шкале длин волн. 7

Частотной испускательной способностью (плотность энергетической светимости), равна потоку энергии излучаемой единицей поверхности в единичном интервале частот и измеряется в по шкале длин волн и измеряется в Вт/м 3 8

С помощью формулы можно перейти от от и наоборот Связь интегральной и спектральной светимости: или 9

Интегральная светимость равна площади под кривой спектральной светимости. 10

Поглощательная способность равна доле поглощаемого излучения. По шкале частот по шкале длин волн Интегральной поглощательная способность тела 11

Тело, для которого для всех длин волн называют серым. Тело, полностью, поглощающее, падающее на него излучение (во всем диапазоне длин волн) называется абсолютно черным телом. Для абсолютно черного тела 12

13

Модель абсолютно черного тела (АЧТ) 14

Законы теплового излучения Равновесное излучение. Закон Кирхгофа Равновесное излучение — это такое излучение, при котором расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счет поглощения телом такого же количества энергии падающего на него излучения.

Поскольку температура T=const , то тело, испускающее больше энергии должно и больше поглощать, т. е. обладать и большей поглощательной способностью. Отсюда вытекает соотношение 1) Закон Кирхгофа: Отношение испускательной и поглоща тельной способностей не зависит от природы тела и является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

а по шкале длин волн Для абсолютно черного тела, (физические величины которого пометим звёздочкой),

Следовательно, для такого тела — универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела. В интегральном виде закон Кирхгофа имеет вид Для серого тела

Следствия: • Если тело не поглощает излучение каких-то частот, то оно его и не излучает ( ). • При одинаковой температуре светимость АЧТ больше светимости любого другого тела. 19

Измеряя испускательную способность абсолютно чёрного тела, можно экспериментально опреде лить вид универсальных функций Кирхгофа Площадь, охватываемая кривой дает энерге тическую светимость абсолютно черного тела при соответствующей температуре

Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени температуры. - постоянная Стефана-Больцмана, 21

Законы Вина Закон смещения Вина Длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности энергетической светимости обратно пропорциональна температуре. b – постоянная Вина, 22

23

Второй закон Вина максимальное значение испускательной способности абсолютно черного тела прямо пропорционально абсолютной температуре в пятой степени где с — вторая постоянная Вина 24

Таблица цветности излучения АЧТ Таблица цветности излучения абсолютно чёрного тела[1] Температурный интервал в Кельвинах Цвет до 1000 Красный 1000— 1500 Оранжевый 1500— 2000 Жёлтый 2000— 4000 Бледно-жёлтый 4000— 5500 Желтовато-белый 5500— 7000 Чисто белый 7000— 9000 Голубовато-белый 9000— 15000 Бело-голубой 15000—∞ 25 Голубой 25

Теории теплового излучения Формулы Вина и Релея — Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа Рассматривалось равновесное тепловое излучение в полости на основе термодинамического подхода.

Положения теории: • равновесное тепловое излучение в полости представляет собой систему стоячих электромагнитных волн; • на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия < > = k. T. 27

Используя методы термодинамики, Вину удалось получить зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны, которая выражается следующей формулой: При подборе коэффициентов a и b формула Вина давала хорошее совпадение с эмпирическими данными в области коротких длин волн. Но при больших длинах волн были существенно ниже экспериментальных.

На основе законов электродинамики и законов статистической физики Релей и Джинс получили следующую формулу Формула Релея — Джинса совпадает с опытной зависимостью только в области больших длин волн. При малых длинах волн,

Абсурдный результат получается, если, используя формулу Релея — Джинса высчитать Она окажется равной бесконечности.

Совокупность этих фактов показала, что классическая физика неправильно описывает тепловое излучение. Сложившаяся ситуация в теории излучения абсолютно черного тела, известная в истории физики как «ультрафиолетовая катастрофа» , привела к необходимости пересмотра основ физики.

Формула Планка Квантовая гипотеза Планк предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями энергии — квантами электромагнитного поля (фотонами). 32

Энергия кванта: h постоянная Планка Или приведенная постоянная Планка. 33

Энергия осцилятора может увеличиваться или уменьшаться только на величину кратную Исходя из этих позиций, Планк получил

Формула Планка правильно описывает все законы теплового излучения. Сюда относится, в частности, закон Стефана — Больцмана и закон смещения Вина. Для получения закона смещения Вина нужно и решить уравнение.

В области коротких формула Планка переходит к формуле Вина, в области длинных волн к формуле Релея — Джинса. Вся совокупность этих фактов дает основание утверждать, что гипотеза Планка о корпускулярном характере электромагнитного излучения верна. Именно эта идея Планка и явилась первым толчком для развития квантовой физики.

Оптическая пирометрия Это совокупность методов определения температуры тела по его излучению. Методы пирометрии не требуют контакта аппаратуры с исследуемым телом, позволяют измерять высокие температуры и температуры удаленных тел. 37

температура радиационная цветовая яркостная 38

Радиационная температура это такая температура АЧТ, при которой его интегральная энергетическая светимость равна светимости исследуемого тела. 39

Яркостная температура это такая температура АЧТ, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность излучения равна спектральной плотности излучения исследуемого тела. 40

Цветовая температура это такая температура АЧТ, при которой отношение энергетических яркостей для двух длин волн его спектра равно отношению этих же величин для спектра исследуемого источника света. 41

При этой температуре АЧТ испускает излучение с той же хроматичностью (цветностью), что и рассматриваемое тело. Характеризует видимый цвет источника. 42

Сравнительная шкала цветовых температур 43

Шкала цветовых температур • 800 К — начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел • 2000 К — свет пламени свечи • 2360 К — вакуумная лампа накаливания • 2800— 2854 К — газонаполненная лампа накаливания • 3200— 3250 К — типичные киносъёмочные лампы • 5500 К — прямой солнечный дневной свет • 6500 К — стандартный источник дневного белого света • 7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного света от чистого голубого неба 44

Схема пирометра с исчезающей нитью 1 - источник излучения, 2 - оптическая система, 3 – эталонная лампа накаливания, 4 –фильтр с узкой полосой пропускания, 5 – объектив, 6 – реостат, 7 - миллиамперметр 45

Пирометр 46

Применение пирометров 47

Тепловизор 48