Тепловое излучение. Абсолютное черное, серое тело. Характеристики и законы теплового излучения. Спектр излучения черного тела

Тепловое излучение – изучение присущее всем телам, которое возникает при любых температурах выше 0 К и испускаемое всеми телами. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Характеристики:

Среднюю мощность излучения за время значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф {Вт}.

Поток излучения, испускаемый 1 м² поверхности, называют энергетической светимостью R_e [Вт/м²].

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длинны. Энергетическая светимость, соответствующая интервалу от λ до λ+d λ, пропорциональна ширине интервала:

dR _λ=r _λd λ (1)

где r_{λ –} спектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м³.

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела.

Проинтегрировав (1) получаем, что

Способность тела поглощать энергию характеризуют коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенным данным телом, к потоку излучения, упавшего на него

Так как коэффициент поглощения зависит от длинны волны, то записывают для потоков монохроматического излучения, и тогда это соотношение определяет монохроматический коэффициент поглощения:

Коэффициенты поглощения могут принимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излучение тела черного цвета, плохо поглощают тела с белой поверхностью и зеркала.

Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных:

Так как α _λ < 1, то спектральная плотность энергетической зависимости любого тела меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре. Черное тело при прочих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения. Пользуясь законом Кирхгофа можно найти спектр излучения тела:

Тело, коэффициент поглощения для которого равен 1 для всех частот, называют черным. Оно поглощает все падающее н него излучение (черных тел в природе нет – это физическая абстракция, моделью черного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости, а луч, попавший в эту полость и многократной отразившийся от нее, будет поглощен).

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров для разных температур:

Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

Энергетическая светимость черного тела:

Тело, коэффициент поглощения которого меньше 1 и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым. Серых тел в природе нет, но некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые, например тело человека считают серым - коэффициент поглощения приблизительно равен 0,9 для инфракрасной области спектра.

Энергетическая светимость серого тела:

Закон Стефана – Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры. Величину σ называют постоянной Стефана – Больцмана

Закон смещения Вина: при комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светится темно-красным светом, а при очень высокой температуре – белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела (b= 0,28978*10^-2 м*К постоянная Вина) Этот закон выполняется и для серых тел.

Эти законы позволяют, измеряя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).