Тепловое излучение

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение в определенном спектре длин волн. Тепловое излучение присуще всем телам, жидкостям и газам, имеющим температуру выше абсолютного нуля по Кельвину (К) или минус 273 по Цельсию (℃), т.е. имеющим внутреннюю энергию. Это значит, что любое вещество с температурой выше -273 ℃ излучает тепловую энергию в пространстве в виде электромагнитных волн.

Так как тепловое изучение представляет из себя определенный вид электромагнитного излучения остановимся на нем подробнее.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Электромагнитное излучение — это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля или другими словами колебание электрического и магнитного полей. Электромагнитное излучение возникает во всех случаях, когда в пространстве создается переменное электромагнитное поле. Т.е. изменения электромагнитного поля, тоже что электромагнитные колебания, создают электромагнитные волны — процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля, которые и являются электромагнитным излучением.

Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах.

Электромагнитное излучение подразделяется на спектры в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны.

Рис.1. Спектр электромагнитного излучения

Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот (длин волн) электромагнитного излучения, включающий: радиоволны, микроволновое излучение, терагерцевое излучение, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовой излучение, рентгеновское излучение, жесткое (гамма-излучение).

Все виды излучения имеют одинаковую природу и отличаются только длиной волны.

Каждому виду излучения соответствует свой диапазон длин волн.

Тепловое излучение охватывает три участка спектра электромагнитного излучения: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый. Но именно ИНФРАКРАСНЫЙ УЧАСТОК СПЕКТРА (диапазон длин волн от 0,74 мкм до 1мм) содержит в себе наибольшую долю энергии и отвечает за тепловое излучение объектов.

Инфракрасный спектр условно делится на три участка:

• Ближний инфракрасный диапазон – 0,78-3 мкм
• Средний инфракрасный диапазон – 3-50 мкм
• Дальний инфракрасный диапазон 50 — 1000 мкм

Стоит отметить что тела с очень высокой температурой, например, Солнце ~5000К, способны излучать значительное кол-во тепловой энергии именно в ВИДИМОМ спектре электромагнитного излучения (0,4-0,7мкм), но при этом к тепловому излучению в общем случае относят диапазон длин волн инфракрасного спектра.

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Тепловое излучение зависит от температуры тела и его оптических свойств. С увеличением температуры мощность теплового излучения увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия.

Следующие свойства тел влияют на тепловое излучение:

• Форма тела. Интенсивность теплового излучения зависит от геометрических особенностей тела.
• Состояние поверхности. Гладкая или шероховатая поверхность влияет на излучательную способность тела.
• Цвет поверхности. Тёмные поверхности сильно нагреваются излучением и сами хорошо излучают тепловые лучи. Белые поверхности, наоборот, отражают больше, чем поглощают, и излучают меньше, чем тёмные.
• Химический состав. Например, металлы имеют наибольшее значение коэффициента излучения в области малых длин волн, а у диэлектриков, наоборот, по мере увеличения длины волны коэффициент излучения увеличивается.
• Способность к поглощению, отражению и пропусканию излучения. Эти оптические характеристики определяют возможность предметов поглощать, отражать и пропускать падающее на них излучение.

Тепловое излучение распространяются прямолинейно.

Каждое тело способно не только излучать, но и поглощать лучистую энергию.При этом некоторое количество лучистого потока может отражаться от тела, а некоторое — проходить сквозь него, подчиняясь оптическим законам преломления, поглощения и отражения.

Поглощение и излучение происходит на ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛ и определяется температурой поверхности и ее состоянием (глянцевая, матовая, шероховатая). Обратим внимание, что большинство технических твердых материалов непрозрачно для инфракрасного излучения и соответственно не пропускают через себя тепловое излучение.

РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛ

Всем телам способным излучать, поглощать или отражать тепловую энергию приписывают некоторые специфические свойства, называемые радиационными характеристиками. К радиационным характеристикам тела относят ПОГЛОЩАТЕЛЬНУЮ, ОТРАЖАТЕЛЬНУЮ, ПРОПУСКАТЕЛЬНУЮ способности тела и СТЕПЕНЬ ЧЕРНОТЫ .

ВСразу стоит отметить, что все радиационные характеристики могут быть как интегральными (для всего спектра излучения), так и спектральными (для бесконечно малого ОПРЕДЕЛЕННОГО диапазона длин волн \(\color{#dc5010}{\Delta\lambda}\)); у спектральных характеристик всегда присутствует индекс \(\color{#dc5010}{\lambda}\)), например, \( \color{#dc5010}{E_{0,\lambda}} \) – это значит, что данная величина относится к определенной длине волны). Интегральные характеристики описывают весь спектр излучения тела по всем присущим ему длинам волн и фактически являются суммой (интегралом) всех спектральных характеристик, описывающих отдельные диапазоны длин волн.

Потоком излучения ( \(\color{#dc5010}{Q}\), Вт) называют количество лучистой энергии, проходящее через заданную поверхность площадью \(\color{#dc5010}{F}\) в единицу времени.

Поверхностной плотностью потока излучения (\(\color{#dc5010}{E}\), Вт/м2) называют количество лучистой энергии, проходящее через заданную единичную поверхность в единицу времени.

Рис.2. Схема радиационного теплообмена для полупрозрачного тела

Обозначим \(\color{#dc5010}{Q_{пад}}\) всю попадающую на тело лучистую энергию (рис.2). Часть ее телом поглощается – \(\color{#dc5010}{Q_{погл}}\). Часть отражается — \(\color{#dc5010}{Q_{отр}}\). А часть проходит сквозь тело без изменений – \(\color{#dc5010}{Q_{проп}}\).

Данный баланс распределения энергии можно записать выражением:

\[ \color{#dc5010}{Q_{\text{пад}} = Q_{\text{погл}} + Q_{\text{отр}} + Q_{\text{проп}}} \]

Доли поглощенной, отраженной и прошедшей сквозь тело энергии от общей лучистой энергии:

\[ \color{#dc5010}{\frac{Q_{\text{погл}}}{Q} + \frac{Q_{\text{отр}}}{Q} + \frac{Q_{\text{проп}}}{Q} = 1} \]

где:

• \(\color{#dc5010}{Q}\) — полная подведённая энергия, Дж
• \(\color{#dc5010}{A = \frac{Q_{\text{погл}}}{Q}}\) — поглощательная способность тела, равная доле падающего излучения, поглощенного телом (коэффициент поглощения);
• \(\color{#dc5010}{R = \frac{Q_{\text{отр}}}{Q}}\) — отражательная способность тела, равная доле падающего излучения, отраженного телом (коэффициент отражения);
• \(\color{#dc5010}{D = \frac{Q_{\text{проп}}}{Q}}\) — пропускательная способность тела, равная доле падающего излучения, проходящего через тело (коэффициент пропускания);

Сумма этих трёх коэффициентов соответственно равна 1:

\[ \color{#dc5010}{A + R + D = 1} \]

Рассмотрим различные крайние случаи!

\(\color{#dc5010}{A = 1}\), \(\color{#dc5010}{R = 0}\), \(\color{#dc5010}{D = 0}\) – Такое тело называется АБСОЛЮТНО ЧЕРНЫМ (АЧТ) – оно поглощает все падающие на него лучи. Поток и плотность потока собственного излучения АЧТ обозначают \(\color{#dc5010}{Q_0}\) и \(\color{#dc5010}{E_0}\) соответственно.

\(\color{#dc5010}{R = 1}\), \(\color{#dc5010}{A = 0}\), \(\color{#dc5010}{D = 0}\) – Такое тело называется АБСОЛЮТНО ЗЕРКАЛЬНЫМ (или абсолютно белым) – оно отражает все падающие на него лучи.

\(\color{#dc5010}{D = 1}\), \(\color{#dc5010}{A = 0}\), \(\color{#dc5010}{R = 0}\) – Такое тело называется АБСОЛЮТНО ПРОЗРАЧНЫМ или диатермическим. Все падающие на такое тело лучи проходят сквозь него. К диатермичным относятся двухатомные газы – азот, кислород.

В действительности нет ни абсолютно черного, ни абсолютно белого, ни абсолютно прозрачного тел. Все тела можно назвать СЕРЫМИ.

Однако некоторые реальные тела по своим радиационным свойствам близки к идеальным. Например, у сажи и окисленной шероховатой стали \(\color{#dc5010}{A \to 1}\), у полированных металлов \(\color{#dc5010}{R \to 1}\), у двухатомных газов с симметричными молекулами (\(\color{#dc5010}{N_2}\), \(\color{#dc5010}{O_2}\)), в том числе и у сухого воздуха \(\color{#dc5010}{D \to 1}\).

Для непрозрачных тел характерно \(\color{#dc5010}{D = 0}\), \(\color{#dc5010}{A + R = 1}\). Для газов \(\color{#dc5010}{R = 0}\), \(\color{#dc5010}{A + D = 1}\).

С учетом введенных обозначений поглощенный, отраженный и пропущенный тепловые потоки можно рассчитать по формулам:

\[ \color{#dc5010}{Q_{\text{погл}} = A \cdot Q_{\text{пад}}} \]

\[ \color{#dc5010}{Q_{\text{отр}} = R \cdot Q_{\text{пад}}} \]

\[ \color{#dc5010}{Q_{\text{проп}} = D \cdot Q_{\text{пад}}} \]

СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ называют распределение лучистой энергии по длине волны \(\color{#dc5010}{E_{\lambda} = f(\lambda)}\), где \(\color{#dc5010}{E_{\lambda}}\) [Вт/м³] – спектральная плотность теплового потока собственного излучения (спектральная лучеиспускательная способность тела).

Рис.3. Распределение по спектру энергии излучения твердого тела (а) и газа (б)

Стоит отметить, что у большинства твердых тел спектры сплошные, а у газов и полированных металлов спектры линейчатые или селективные.

Из этого следует что большинство твердых тел излучают тепловую энергию во всем диапазоне (спектре) длин волн, но при этом интенсивность или плотность теплового потока по различным длинам волн отличается (рис.3, а). Длина волны, при которой у данного тела наблюдается наибольшая плотность теплового потока определяется в соответствии с ЗАКОНОМ СМЕЩЕНИЯ ВИНА.

У газов и полированных металлов спектры линейчатые или селективные (рис.3, б). Т.е. в полном диапазоне длин волн теплового излучения есть участки, которые вовсе не излучают тепловую энергию. Так же из рисунка видно, что в полном диапазоне излучения есть несколько максимумов.

Другими словами, в общем диапазоне теплового излучения есть отдельные эл. магнитные волны со своей длиной волны, которые несут в себе различную лучистую энергию. Т.е. тепловое излучение распространяется по всем длинам волн своего спектра одновременно, но каждая волна определенной «длины волны» несет разную мощностью лучистой энергии или тепловую мощность.