Испускательная и поглощательная способность.

Для описания спектрального состава теплового излучения рассмотрим энергию, излучаемую единицей поверхности нагретого тела в единицу времени в узком диапазоне частот от до . Этот поток лучистой энергии , испускаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям, пропорционален ширине спектрального диапазона, то есть . Энергию , приходящуюся на единичный диапазон частот, называют спектральной испускательной способностью тела или спектральной плотностью энергетической светимости. Опыт показывает, что для каждого тела испускательная способность является определенной функцией частоты, вид которой изменяется при изменении температуры тела . В дальнейшем для такой функциональной зависимости , рассматриваемой при заданном значении температуры тела как некоторая функция частоты, будем использовать принятое в теории теплового излучения обозначение: .

Суммарный поток энергии излучения с единицы поверхности тела по всему диапазону частот

 

называется интегральной испускательной способностью тела или его энергетической светимостью. В системе СИ энергетическая светимость измеряется в Вт/м², а спектральная испускательная способность имеет размерность Дж/м².

Испускательную способность тела можно представить и как функцию длины волны излучения , которая связана с частотой через скорость света в вакууме по формуле . Действительно, выделяя потоки излучения, приходящиеся на интервал частот и на соответствующий ему интервал длин волн , и приравнивая их друг другу, находим, что

 

Отсюда получаем формулу связи между испускательными способностями по шкале частот и шкале длин волн

 

для описания процесса поглощения телами излучения введем спектральную поглощательную способность тела . Для этого, выделив узкий интервал частот от до , рассмотрим поток излучения , который падает на поверхность тела. Если при этом часть этого потока поглощается телом, то поглощательную способность тела на частоте определим как безразмерную величину

Законы теплового излучения:

Тело наз-ся черным (абсолютно черным), если оно при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их частоты, поляризации (упорядочивания светового в-ра) и направления распространения. Следовательно, коэф-т поглощения абсолютно черного тела (АЧТ) тождественно равен единице. Спектральная плотность энергетической светимости АТЧ зависит только от частоты V излучения и термодинамической температуры Т тела

• Закон Стефана-Больцмана: , где

- энергетическая светимость абсолютно черного тела, σ-постоянная Стефана-Больцмана.

• Энергетическая светимость серого тела:

где α- коэффициент поглощения серого тела (степень черноты). Энергетическая светимость АТЧ пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры

• Закон смещения Вина: где - длина волны, на которую приходится максимум испускательной способности абсолютно черного тела, b - постоянная Вина.

• Максимальное значение испускательной способности абс. черн. тела для данной температуры:

• Закон Кирхгофа: ,

где - испускательная способность тела, - поглощательная способность, - универсальная функция Кирхгофа, Т - температура тела.

Пост. Стефана-Больцмана:

Постоянная закона смещения Вина:

Пост. энергетической светимости:

Постоянная Планка:

Тепловое излучение. Тела, нагреты до достаточно высоких температур, светятся. Свече­ние тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым излучением. Тепловое излучение явля­ется самым распространенным в природе, совер­шается за счет энерги теплового движения атомов и молекул в-ва (т.е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при темпера­туре выше 0 К. Тепловое излучение характеризу­ется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких – преимущественно длинные (инфра­красные). Тепловое излучение – практически единственный тип излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое тело помещено в полость, ограниченное идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в р-тате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т.е. тело в единицу времени будет поглощать столько же сколько и излучать.

Законы теплового излучения абсо­лютно черного тела (Закон Стефана Больцмана). Тело наз-ся черным (абсолютно черным), если оно при любой температуре полностью поглощает всю энергию падающих на него электромагнитных волн независимо от их частоты, поляризации (упорядочивания светового в-ра) и направления распространения. Следовательно, коэф-т поглощения абсолютно черного тела (АЧТ) тождественно равен единице. Спектральная плотность энергетической светимости АТЧ зависит только от частоты νизлучения и термодинамической температуры Т тела. Закон Кирхгофа: Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности н.з. от природы тела; оно является для всех тел универсальной ф-цией частоты.

(длины волны) и температуры:. Для

черного тела, поэтому из закона К.

вытекает, чтоля черного тела равна

Таким образом, универсальная функция Кирхгофаесть не что иное, как спектральная

плотность энергетической светимости черного тела. Энергетическая светимость АТЧ зависит только от температуры, т.е. Энергетическая светимость АТЧ пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:

, где σ-- постоянная Больцмана. Этот

закон – закон Стефана-Больцмана.

следствие ф-лы Планка. Согласно квантово теории Планка, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями -- квантами, причем энергия ванта пропорциональна частоте колебания

постоянная Планка. Т.к.излучение испускается порциями, то энергия осциллятора (стоячей волны) εможет принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу эл-тарн порций энергии Ф-ла Планка (нахождение универсальной

функции Кирхгофа):

спектральные плотности энергетической светимости ЧТ, X — длина волны, (О — круговая частота, с - скорость света в вакууме, к -постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура, h - постоянная Планка, % — постоянная Планка, дел. на 2ж =

1.05 • 1(Г34 Дж ■ с . Следствие: если

Планка следует ф-ла Релея-Джинса:

. В области больших частоти единицей в знаметеле.

тогда получим ф-лу эта ф-ла совпадает с ф­лой, причем

40. Закон Вина. Опираясь на законы термо- и электродинамики, Вин установил зависимость длины волны λmax , соответствующей максимуму функции rλ,T , от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,

Т.е. длина волны Лтах , соответствующая

максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости ЧТ, обратно пропорциональна его термодинамической температуре, b—постоянная

Вина = 2.9-10- м-К . Закон Вина - закон смещения т.к. он показывает смещение положения максимума функции Гд j по мере

возрастания температуры в область коротких длин волн. Он объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение.

Формула Релея-Джинса. Попытка теоретического вывода зависимости универсальной функции Кирхгофа. В данном случае был применен закон равномерного распределения энергии по степеням свободы. Формула Релея-Джинса для спектральной плотности энергетической светимости имеет ви

, где– средняя энергия

осциллятора с собственной частотой ν.

 

Для осциллятора, совершающего колебания, средние значения кинетической и потенциальн энергий одинаковы, поэтому средняя степень каждой колебательной степени свободы

согласуется с

экспериментальными данными только в област достаточно малых частот и больших температу В области больших частот она резко с ними расходится. Если попытаться получить закон Стефана-Больцмана, то получается абсурд, т.к. вычисленная с использованием ф-лы Р.-Д. энергетическая светимость черного тела

в то время как по з. Стеф.-Больц. Re пропорциональна четвертой степени температуры.

 

Оптическая пирометрия.

Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения наз-ся пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используются при измерении температуры радиационную, цветную и яркостную температуры.

1. Радиационная температура– это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость

Re

равна энергетической светимости исследуемого тела. В данном случае

регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону С.-Б.вычисляется

 

Радиационная температура всегда меньше истинной температуры тела.

2. Цветовая температура.Для серых тел (серое тело - тело, поглощательная способность которых меньше 1, но одинакова ля всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния пов-ти тела

спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Поэтому к серым телам применим закон Вина , т.е. зная длину волны

Лщах , соответствующую максимальной спектральной плотности энергетической светимости R% у исследуемого тела, можно

определить его температуру , которая

наз-ся цветовой температурой. Для серых тел она совпадает с истинной температурой, для других тел это понятие теряет смысл.Яркостная температура.Т_Я — это температура черного

тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости равна энергетической светимост исследуемого тела,. Истинная температура для нечерного тела всегда больше яркостной.