Тепловое излучение

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет

“Харьковский политехнический институт”

РЕФЕРАТ

На тему:

«ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ»

Сделал:

Студент  5 курса

Группа:  ЕЗБер-47             

Гаруст Николай Владимирович

Бердянск  2011г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Тепловое излучение и правило Прево…………………….3

2. Законы излучения абсолютно черного тела……….…….13

3. Закон Ламберта…………………………………………….16

4. Понятие об оптической пирометрии……………...………17

5. Используемая литература……………………………..…..21

1. Тепловое излучение и правило Прево

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

Электромагнитное излучение всех длин волн обусловливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т. е. электронов и ионов. При этом колебания ионов, составляющих вещество, соответствуют излучению низкой частоты (инфракрасному) вследствие значительной массы колеблющихся зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов, может иметь высокую частоту (видимое и ультрафиолетовое излучение), если электроны эти входят в состав атомов или молекул и, следовательно, удерживаются около своего положения равновесия значительными силами. В металлах, где много свободных электронов, излучение последних соответствует иному типу движения; в таком случае нельзя говорить о колебаниях около положения равновесия; свободные электроны, приведенные в движение, испытывают нерегулярное торможение, и их излучение приобретает характер импульсов, т. е. характеризуется спектром различных длин волн, среди которых могут быть хорошо представлены и волны низкой частоты.

Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо пополнять убыль ее; в противном случае излучение будет сопровождаться какими-либо изменениями внутри тела, и состояние излучающей системы будет непрерывно изменяться. Указанные процессы могут быть весьма разнообразны, и следовательно, может быть различен и характер свечения.

Известны процессы излучения, сопровождающие химические превращения внутри тела, — так называемая хемилюминесценция. Сюда относится, например, свечение гниющего дерева или свечение фосфора, медленно окисляющегося на воздухе. В этом случае испускание лучистой энергии идет параллельно с изменением химического состава вещества и уменьшением запаса его внутренней энергии.

Процессы излучения, вызываемые освещением тела, одновременным или предварительным, объединяются под названием фотолюминесценции. В данном случае для поддержания свечения необходимо подводить к телу энергию в виде излучения, поступающего от внешнего источника.

Весьма распространен способ возбуждения свечения путем электрического воздействия на излучающую систему. Наиболее распространенным свечением такого рода (электролюминесценция) является свечение газов или паров под действием проходящего через них электрического разряда, который может иметь разнообразные формы: тлеющий разряд, обычно наблюдаемый в гейслеровых трубках, лампы «дневного света», электрическая дуга, искра. Во всех таких случаях энергия, необходимая для излучения, сообщается атомам и молекулам газа путем бомбардировки электронами, разгоняемыми электрическим полем разряда. Бомбардировка электронами может вызвать также свечение твердых тел, например, минералов (катодолюминесценция).

Наконец, можно заставить тело светиться, сообщая ему необходимую энергию нагреванием. И в этом случае можно поддерживать излучение неизменным, если убыль энергии, уносимой излучением, пополнять сообщением соответствующего количества тепла. Последний вид свечения наиболее распространен и называется тепловым излучением. Собственно говоря, такое тепловое излучение имеет место и при низких температурах (например, при комнатной), но только в этих условиях излучение практически ограничивается лишь очень длинными инфракрасными волнами.

Электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, называют тепловым (температурным) излучением. Иногда под тепловым излучением понимают не только равновесное, но также и неравновесное излучение тел, обусловленное их нагреванием. Такое равновесное излучение осуществляется, например, если излучающее тело находится внутри замкнутой полости с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела. В теплоизолированной системе тел, находящихся при одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к нарушению термодинамического равновесия системы, так как это противоречило бы, второму началу термодинамики.

Поэтому для теплового излучения тел должно выполняться правило Прево: если два тела при одной и той же температуре поглощают разные количества энергии, то и их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.

Основная величина, характеризующая тепловое состояние тела, есть его температура. Эта величина является определяющей также и в явлениях теплового излучения, что можно без труда усмотреть из следующего грубого опыта. Нагревая какое-либо тугоплавкое вещество (уголь, металл), мы замечаем, что видимое на глаз (темно-красное) свечение появляется лишь при определенной температуре (около 500° С). По мере повышения температуры свечение становится ярче и обогащается более короткими волнами, переходя примерно при 1500° С в яркое белое каление. Контролируя свечение спектроскопом, мы можем видеть, как по мере повышения температуры постепенно развивается сплошной спектр свечения, начиная от узкой области красного излучения () и переходя постепенно в полный видимый спектр. Наблюдая свечение при помощи термоэлемента, можно обнаружить и инфракрасное, и ультрафиолетовое излучение нагреваемого тела.

В этих опытах выясняется и другая важнейшая черта температурного излучения. Спектральный состав излучения, соответствующего данной температуре, для различных хорошо поглощающих веществ (например, окислов различных металлов, угля и т. д.) практически одинаков, но для прозрачных тел излучение может иметь заметно отличный состав. Так, нагревая кусок стали, мы при температуре около 800° С увидим яркое вишнево-красное каление, тогда как прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится, не испускает видимых (в частности, красных) лучей. Таким образом, обнаруживается большая способность к излучению тел, хорошо поглощающих. Это обстоятельство определяет условия обмена лучистой энергией, ведущего к установлению теплового равновесия между телами.

Опыт показывает, что тела различной температуры, могущие передавать друг другу тепло, по истечении некоторого времени принимают одинаковую температуру, т. е. приходят в тепловое равновесие. Это происходит и в том случае, когда наши тела заключены в непроницаемую для тепла оболочку, в которой создан вакуум, т. е. исключена возможность теплового обмена в силу теплопроводности и конвекции, и имеет место лишь излучение и поглощение. Излучая и поглощая тепло, тела и в конце концов, принимают одинаковую температуру Т. Тепловое равновесие имеет динамический характер, т. е. и при одинаковых температурах всех тел происходит, конечно, излучение и поглощение лучистой энергии, но так, что в единицу времени тело столько же излучает тепла, сколько оно его поглощает. Отсюда ясно, что если два тела и обладают различной способностью к поглощению, то и их способность к испусканию не может быть одинаковой. Действительно, если установилось тепловое равновесие, то для каждого тела должно соблюдаться равенство между количеством испускаемой и поглощаемой им в единицу времени энергии. Если два тела поглощают разные количества энергии, то и испускание должно быть различно (Прево, 1809 г.).

                       Рис.1.1                                Рис.1.2

Рис. 1.1 Приборы для демонстрации правила Прево.

G- излучающий сосуд;  Q-воздушный термометр.

Рис. 1.2 Опыт, показывающий пропорциональность между поглощательной и испускательной способностями поверхности.

G- излучающий сосуд;    и -дифференциальный воздушный термометр.

Нетрудно подтвердить это заключение простыми опытами. В качестве излучателя возьмем наполненную горячей водой коробку (рис. 1.1), плоские стенки которой обладают различной способностью к поглощению: одна сделана из хорошо полированного металла и поглощает очень мало, а другая покрыта черным слоем окисла и почти нацело поглощает падающую на нее энергию. В качестве приемника удобно использовать воздушный термометр, резервуар которого Q также представляет собой металлическую коробку со стенками из различного материала.

По расширению воздуха в Q можно судить о количестве, поступающего за единицу времени тепла. Поворачивая сосуд G к термометру (или Q к излучателю) блестящей или черной стороной, можно убедиться, что блестящая поверхность меньше излучает и меньше поглощает, чем черная. Сделав термометр дифференциальным и придав всему расположению вид, изображенный на рис. 1.2 и понятный без пояснения, мы заметим, что капля в дифференциальном термометре остается на месте, т.е. оба резервуара и получают одинаковое количество тепла. В таком видоизменении этот опыт позволяет заключить, что поглощательная способность какой-либо поверхности пропорциональна ее испускательной способности.

Описанные опыты имеют важный принципиальный недостаток, ибо излучательная и поглощательная способности сравниваются при температуре, а способность тела к излучению и поглощению зависит от его температуры. Впрочем, для выбранных объектов (полированный и черный металлы) и незначительной разности температур (меньше С) это различие играет ничтожную роль.

Тепловое излучение тел можно противопоставить всем иным видам излучения в силу особенностей, представление о которых дает следующее рассуждение.

Предположим, что излучающее тело окружено идеально отражающей, непроницаемой для излучения оболочкой. Тогда излучение, испускаемое телом, не рассеивается по всему пространству, а, отражаясь сполна стенками, сохраняется в пределах полости, падая вновь на излучающее тело и в большей или меньшей степени вновь им поглощаясь. В таких условиях никакой потери энергии наша система — излучающее тело и излучение — не испытывают. Однако это еще не значит, что испускающее тело и излучение находятся в равновесии между собой. Энергия нашей системы содержится частично в виде энергии излучения (электромагнитных волн), частично в виде внутренней энергии излучающего тела. Состояние системы будет равновесным, если с течением времени распределение энергии между телом и излучением не меняется. Поместим внутрь полости нагретое тело (твердое, жидкое или газообразное — безразлично). Если в единицу времени тело больше испускает, чем поглощает (или наоборот), то температура его будет понижаться (или повышаться). При этом будет ослабляться или усиливаться испускание, пока, наконец, не установится равновесие. Такое равновесное состояние устойчиво. После всякого нарушения его, в силу описанного механизма, вновь восстановится равновесное состояние.

Наоборот, излучение, возбуждаемое не нагреванием, а какими-либо другими процессами, не будет равновесным. Пусть, например, излучение имеет характер хемилюминесценции, т. е. сопровождает какой-то процесс химического изменения вещества. Поглощение большей или меньшей доли испущенной световой энергии не вернет вещество в его первоначальное состояние. Более того, повышение температуры, вызванное поглощением тепла, обычно ведет лишь к более энергичному протеканию химической реакции. Процесс непрерывного изменения излучающей системы будет продолжаться до тех пор, пока может идти химическая реакция, и, следовательно, система все больше и больше удаляется от первоначального состояния. Равновесие установится только тогда, когда закончится химический процесс, а с ним и хемилюминесценция, и характер установившегося излучения будет определяться температурой нашего тела, т. е. равновесное состояние будет соответствовать опять-таки тепловому излучению.

То же справедливо и при фотолюминесценции. Внесем в зеркальную полость какое-нибудь фосфоресцирующее вещество, предварительно возбужденное освещением. Свечение нашего тела будет постепенно ослабевать; действительно, свет фосфоресценции, отраженный зеркальными стенками, может частично поглощаться нашим веществом и нагревать его; однако он не сможет поддерживать длительной фосфоресценции, для возбуждения которой требуется освещение светом более короткой длины волны, чем испускаемый свет (закон Стокса). Значит, и в данном случае будут иметь место постепенное нагревание тела за счет света фосфоресценции и постепенная замена этого излучения тепловым излучением нагретого тела, т. е. излучением, интенсивность и спектральный состав которого определяются температурой тела. Аналогично будет затухать свечение, вызванное кратковременным электрическим разрядом, и заменяться тепловым излучением, соответствующим установившейся температуре системы.

Таким образом, равновесное излучение всегда имеет характер теплового излучения, причем такое равновесие между излучением и веществом может иметь место для любого тела (твердого, жидкого, газообразного). Это тепловое, или равновесное, излучение подчиняется определенным общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики, в силу которых установившееся тепловое равновесие изолированной системы не может нарушиться вследствие излучения какими-либо частями данной системы или вследствие каких-либо других тепловых обменов. Тепловое излучение иногда называют температурным.

Лучеиспускательной (излучательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Еn,т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела и интервале частот единичной ширины: