Тепловое излучение тел
• • • Характеристики теплового излучения Абсолютно черное тело. Серое тело Закон Кирхгофа. Формула Планка Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина Излучения Солнца: солнечная постоянная Тепловое излучение тела человека. Термография. Тепловизоры.
Процессы испускания и поглощения электромагнитного излучения количественно характеризуются: Лучеиспускательной (или излучательной) способностью- Е Поглощательной способностью -А
Лучеиспускательной (или излучательной) способностью- Е тела называется энергия электромагнитного излучения, испускаемого по всевозможным направлениям. E=Ф/S [Вт/м 2]
Поглощательной способностью -А тела называется отношение энергии электромагнитного излучения, поглощаемого телом, к энергии излучения, падающего на него по всем направлениям. A=погл. эн/пад. эн<1
Коэффициент поглощения которого равен единице для всех частот, называют абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение
-Тело, которое при любой температуре поглощает полностью падающее на него излучение любой длины волны, называется абсолютно черным телом. Его поглощающая способность при любых длинах волн и температурах равняется единице:
Моделью черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен. (Рис. 1. )
Черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями – квантами.
Тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым. (A) сер < 1. Для зеркальных тел: A=0
Для реальных (нечерных) тел спектральная излучательная способность согласно закону Кирхгофа: Т. е. ( ) сер < 1.
закон Кирхгофа : отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности при одинаковой температуре Т и для одной и moй же длины волны не зависит от природы тела и равняется излучательной способности абсолютно черного тела :
Опыты показали, что по мере уменьшения длины волны энергия излучения возрастает и для некоторой длины волны ( ) достигает максимального значения. При дальнейшем уменьшении длины волны энергия излучения убывает и достигает нуля.
График распределения энергии излучения по длинам волн при различных температурах
Из электромагнитной теории света следует, что зависимость энергии от длины волны монотонно поднимается вверх по мере уменьшения длины волны.
Указанные расхождения теории с опытными данными и невозможность установить в то время причину противоречия получило название “фиолетовые катастрофы”. Выход из создавшего положения был найден М. Планком в 1900 году.
Планк: свет излучается и распространяется прерывно (дискретно) порциями, (квант) , энергия, прямо пропорциональное частоте излучения или обратно пропорциональное длине волны: где коэффициент h не зависит от частоты излучения и равен h = 6, 62 Дж с = 6, 62 10 -27 эрг*с.
Закон Вина: длина волны , на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре Т: где постоянная b = 2898 мкм. К. Закон Вина называют законом смешения, так как он показывает, что с повышением температуры максимум энергии излучения черного тела смещается в сторону более коротких волн.
Закон Стефана — Больцмана: излучательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т: Коэффициент пропорциональности называют постоянной Стефана — Больцмана; =5, 710 Вт/(м К) = 1, 3810 "кал/(см).
Для излучательной способности нечерных тел, приближенно пользуются
Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, измеряя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).
Излучение тела человека Максимум спектральной излучательной способности человека в соответствии с законом Вина определяется: Т. е. Находится в ИК области и обладает тепловым действием. Если излучение тела человека принять за серое, тогда:
Относительное изменение излучательной способности больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в четыре раза. Если температура поверхности тела человека изменяется на один процент, то излучательная способность – на четыре.
Термография. Тепловизоры У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. • Воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру. • Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей.
Регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является диагностическим методом, называемый ТЕРМОГРАФИЕЙ
Термограф ИРТИС-2000 A Предназначена для установки на различных носителях малой авиации. В этой системе используется высокоэффективный аппаратно-программный комплекс, который включает в себя ИК-приемную камеру с высоким разрешением, а также электронные средства привязки, визуализации, записи, обработки и анализа изображений.
Определение различия температуры поверхности тела при термографии осуществляется 2 методами: 1 – Визуальное определение по изменению цвета с помощью жидкокристаллических индикаторов, оптические свойства которых чувствительны к небольшим изменениям температуры. 2 - Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом изображении, либо светом, если изображение черно-белое. Такая техническая система называется тепловизором.
Медицинский тепловизор IR 235 B Тепловизор IR 235 B позволяет высокоэффективно выделять объекты с повышенной температурой из движущейся толпы, которая указывает возможное присутствие вируса атипичной пневмонии (SARS) или птичьего гриппа (H 5 N 1).
Тромбофлебит
Остеохондроз
Ожирение
Глаукома
Нарушенное кровообращение после инсульта
Варикозная болезнь
Аэротермосъемка
Регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры может служить диагностическим методом, называемый термографией. У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела характерна и различные воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру, что и фиксируется.
Улавливание ИК лучей испускаемых человеком, лежит в основе получения тепловых изображений – тепловидения. Это безболезненный, бескровный метод. При закупорке или спазме артерий кровоток в руке или ноге уменьшается, соответственно ниже места поражения сосуда снижается и температура тела, что видно на теплограмме. Т. о. Тепловизоры позволяют получать видимые изображения, образованное ИК излучением организма человека.
УФ и ИК излучение Основным источником теплового излучения в природе является Солнце. Облучение солнечным излучением применяется для лечебных целей (гелиотерапия, или солнцелечение), а также для укрепления (закаливания) организма. Наиболее эффективной в этом отношении является доходящая до земной поверхности длинноволновая часть ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Интегральная плотность потока энергии солнечного излучения на верхней границе земной атмосферы составляет 1, 93 кал/см 2 Эта величина называется солнечной постоянной. На поверхности земли-1, 3 кал/см 2
При прохождении через атмосферу спектральный состав солнечного излучения несколько изменяется: УФ -излучение с длиной волны короче 290 нм поглощается озоном верхних слоев атмосферы, а часть длинноволнового инфракрасного излучения — водяным паром. Максимум энергии в спектре излучения на границе атмосферы соответствует длине волны 470 нм на поверхности Земли около 555 нм.
Ультрафиолетовое излучение охватывает область длин от 380 (граница видимого излучения) и до 10 нм (граница рентгеновского излучения). Оно подразделяется на ближнее (или флюоресцентное) от 380 до 200 нм и дальнее, или вакуумное, от 200 до 10 нм. Ультрафиолетовое излучение поглощается простым стеклом,
Ультрафиолетовое излучениеневидимо, действуя на наружную оболочку глазного яблока, вызывает очень болезненное воспаление (конъюнктивит). Поэтому, работая с источниками ультрафиолетового излучения, необходимо защищать глаза специальными очками. оказывает сильное действие на живые организмы. Первичное действие его связано с фотохимическими реакциями, возникающими в тканях при поглощении излучения.
В ткани организма ультрафиолетовое излучение проникает очень неглубоко, на О, 1 — 1 мм, однако вызывает при этом сложную биологическую реакцию, проявляющуюся эритемой на месте действия излучения. Эритемой называется интенсивное покраснение кожи, которое появляется через 6 — 12 часов после действия излучения, удерживается в течение нескольких дней, затем проходит, но оставляет на длительное время светло-коричневую пигментацию кожи, называемую загаром.
В соответствии с особенностями биологического действия выделяют ' следующие зоны ультрафиолетового излучения: 1) зона А — антирахитная. Длина волны от 400 до 315 нм; отличается укрепляющим и закаливающим организм действием. Используется в гигиенических и профилактических целях; 2) зона В — эритемная. Длина волны от 315 до 280 нм; характеризуется эритемным действием, наиболее выраженным при длине волны 296, 7 нм. Используется в лечебных целях; 3) зона С — бактерицидная. Длина волны от 280 до 200 нм, отличается бактерицидным (т. е. убивающим бактерии) действием, наиболее выраженным при длине волны 253, 7 нм. Используется в качестве средства дезинфекции.
ИК-излучение Инфракрасное излучение соответствует длинам волн от 400 мкм до 0, 76 мкм (граница видимого света). Инфракрасное излучение невидимо (хотя длительное действие его на глаз может вызвать вредные последствия). Простое стекло пропускает его только в пределах длины волны от видимого света до при- мерно 3 мкм. Вода и водяной пар поглощают излучение, начиная с длины волны 1 — 1, 5 мкм и больше. Основное действие излучения — тепловое Первичное действие инфракрасного излучения на организм связано с прогреванием поверхностно лежащих тканей. Глубина проникания в ткани относительно коротковолнового инфракрасного излучения— несколько миллиметров.
Для измерения интенсивности теплового излучения, например солнечного, или излучения от нагретых поверхностей в производственных условиях применяют приборы, называемые актинометрами. Интенсивность ультрафиолетового излучения измеряется с помощью фотоэлектрических приборов, по устройству сходных с селеновым люксметром
Поглощение света. Закон Бугера — Бера Закон поглощения в однородной среде для параллельного пучка монохроматического света был установлен П. Бугером: в каждом последующем слое одинаковой толщины поглощается одинаковая часть потока энергии падающей на него световой волны независимо от его абсолютной величины.
Коэффициент пропорциональности называется показателем поглощения и характеризует поглощательную способность вещества. Он зависит от его химической природы и состояния, а также от длины волны света. Как видно из формулы, показатель поглощения - это величина, обратная расстоянию d e, на котором интенсивность параллельного пучка монохроматического излучения уменьшается в е = 2, 72 раз
Формула оптической плотности раствора Если два раствора одного и того же вещества ( ) с концентрациями С 1 и С 2 при толщине слоев d 1 и d 2 поглощают свет одинаково, то, следовательно, оптические плотности их равны: D 1 = D 2 и C 1 d 1 = С 2 d 2, откуда т. е. концентрации растворов обратно пропорциональны толщинам слоев. На этом основан метод определения концентрации вещества в растворе, называемый концентрационной колориметрией.
Исследуя поглощение монохроматического света растворами окрашенных веществ А. Бер показал, что оно подчиняется закону Бугера, причем показатель поглощения а прямо пропорционален концентрации С вещества в растворе (закон Бера): где -показатель поглощения для раствора единичной концентрации. Тогда формула закона Бугера — Бера примет вид:
Метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией. основан на сравнении интенсивности света, рассеянного частицами в стандартном и исследуемом растворах, пропорциональна концентрации взвешенных частиц и высоте столба раствора. В нефелометре растворы освещаются боковым светом, причем сравнивается яркость света, прошедшего через стаканы со стандартным и исследуемым растворами.
1) С повышением температуры смещается в сторону коротких волн 2) Энергетическую светимость черного тела (Re) можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью асбцисс, или 3) Энергетическая светимость увеличивает-ся по мере нагревания черного тела.
Закон Стефана –Больцмана: где Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры. Величину называют постоянной Стефана –Больцмана