Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Топлинното излъчване е електромагнитни вълни, излъчвани от електрически заредени частици в резултат на тяхното топлинно движение в материята.

Металните пръти, нагрети в топилна пещ, светят ярко. Това е топлинно излъчване. Само тела с много високи температури ли излъчват топлинно излъчване? Оказва се, че всяко тяло с температура над абсолютната нула е източник на това излъчване. Защо не виждаме тази радиация, излъчвана от обектите около нас? Ще намерите отговора в тази статия.

Причини за топлинно излъчване и неговите свойства

Всички тела са изградени от атоми или молекули, които са във вечно произволно движение. Дори молекулите на твърдите тела, "заключени" в кристалната решетка, извършват хаотични вибрации. Това произволно движение на атоми и молекули се нарича топлинно движение. Поради сблъсъци и междумолекулни взаимодействия, енергията на отделните молекули непрекъснато се променя. Те изпитват ускорения и вибрации. Атомите са изградени от положително заредено ядро и отрицателно заредени електрони. Когато заредена частица се движи с ускорение, тя излъчва електромагнитна вълна.

Всички тела с температура над абсолютната нула (-273,15 ℃, 0K) излъчват топлинно излъчване. Електромагнитните вълни, падащи върху тялото, могат да бъдат абсорбирани от него. Колкото повече енергия поглъща едно тяло при постоянна температура, толкова повече енергия излъчва. Съотношението на погълнато и излъчено лъчение не зависи от естеството на тялото - за всички тела то е една и съща функция на температурата и дължината на вълната.

Защо виждаме топлинно излъчване само от много горещи тела като метален прът в топилна фабрика?

Светлината е електромагнитна вълна. Всеки цвят на светлината има своя собствена дължина на вълната. Червената светлина има най-дългата дължина на вълната, синята и виолетовата - най-късата. Бялата светлина е смес от всички цветове, които се появяват в дъгата, образувана, когато бялата светлина се раздели върху водни капчици в атмосферата (фиг. 1.).

Ориз. 1. Дъга. Всеки цвят на светлината има собствена дължина на вълната, от най-високата за червената светлина до най-ниската за виолетовата.

Когато загреете метална пръчка, например над газова горелка, до около 500°C, ще забележите, че тя свети в червено. С повишаване на температурата на пръчката цветът на светлината се променя на оранжево, жълто и след това бяло. Повишаването на температурата предизвиква излъчване на електромагнитни вълни с все по-къси дължини на вълните.Едновременно с повишаване на температурата пръчката свети все по-интензивно - казваме, че излъчването се увеличава, т.е. радиационна енергия, освободена за 1 секунда на 1 m2 от повърхността на тялото.

Всички горещи тела светят. Оказва се, че нискотемпературните тела, които не светят с видима светлина, също излъчват радиация, но в диапазона на дължината на вълната повече от видимата светлина. Това лъчение се нарича инфрачервено лъчение. Той е невидим за очите ни, но носи топлинна енергия. Инфрачервеното лъчение се използва например за нагряване на тялото със специална инфрачервена лампа (фиг. 2.). Виждаме, че лампата свети с доста слаба червена светлина, но нейното излъчване в невидимия за нас инфрачервен диапазон е много по-интензивно. Можем да почувстваме ефекта му само под формата на телесна топлина.

Ориз. 2. Инфрачервената лампа за лечение излъчва топлинно лъчение главно в диапазона с по-дълга дължина на вълната от видимата светлина.

Този пример показва, че топлинното излъчване не е ограничено до тесен диапазон от дължини на вълните. Телата излъчват лъчение с всякаква дължина на вълната в много широк диапазон от ултравиолетови до инфрачервени лъчи, но максимумът на това лъчение се появява в определен диапазон от дължини на вълните в зависимост от температурата.

И така, в една инфрачервена лампа максималното лъчение попада в обхвата на дължината на вълната, съответстващ на инфрачервеното лъчение, докато в други диапазони лъчението е много по-слабо. Когато метален прът се нагрее до червено, освен червената светлина, която виждаме, се излъчва и инфрачервено лъчение, което се усеща като усещане за топлина. По-нататъшното повишаване на температурата води до увеличаване на дела на късите дължини на вълните, в резултат на което цветът на пръчката се променя в жълто и след това в бяло. Пръчката все още излъчва червена светлина и инфрачервена радиация, но техният дял от общата радиация е по-малък.

Слънчевата светлина, излъчвана от повърхността на Слънцето при температура от около 6000 K, съдържа видима светлина в целия диапазон на дължината на вълната, както и невидимо за нас ултравиолетово лъчение (UV) с дължини на вълните, по-къси от видимата светлина. Благодарение на тази радиация правим слънчеви бани.

Каква е причината, поради която преобладаващата дължина на вълната на топлинното излъчване намалява с повишаване на температурата? Повишаването на температурата означава увеличаване на средната кинетична енергия на молекулите и съответно увеличаване на средната енергия на излъчваната от частиците радиация. Колкото по-голяма е енергията на излъчване, толкова по-къса е дължината на вълната.

Спектър на топлинно излъчване

Изображения от космическия телескоп Хъбъл ни показват необичайни, динамични събития във Вселената. Една от тях показва сблъсъка на две галактики, които са огромни колекции от много милиарди звезди, газ и междузвезден прах. Сблъсъкът предизвика експлозивно образуване на нови звезди. Но как можем да знаем кои звезди са млади, новообразувани и кои са стари? Получаваме тази информация, като анализираме спектрите на термичните емисии на звездите.

Ориз. 3. Сблъсъкът на две галактики, заснет от телескопа Хъбъл. Източник на снимката - ESA

От опит знаем, че телата при много високи температури, като течен метал или фотосферата на Слънцето, светят с бяла светлина. Ако тази светлина премине през призма, тя се разделя на различни цветове (фиг. 4). Всеки цвят съответства на различна електромагнитна дължина на вълната, от 400 nm за виолетово до 700 nm за червено. Разделяйки бялата светлина на отделни цветове, получаваме спектъра на бялата светлина (фиг. 5).

Ориз. 4. Светлината се разделя на отделни цветове в призма, създавайки спектър от бяла светлинаОриз. 5. Спектър на бялата светлина

Спектърът на излъчване е записано изображение на радиация, разпределена върху различни дължини на вълната.

Разцепването на бялата светлина показва от какви цветове се състои светлината, но не дава информация каква е мощността на излъчване във всички последователни места в цветовия спектър. За по-задълбочено изследване на емисионния спектър е необходимо да се премести сензор, като фотоклетка, по спектъра, за да се измери мощността за всяка дължина на вълната.Измереното количество радиационна енергия в определени диапазони на дължина на вълната на светлината ви позволява да начертаете кривата на спектралното разпределение (фиг. 6.).

Ориз. 6. Кривата на спектралното разпределение показва измерената енергия на излъчване в определени спектрални диапазони

На фиг. 7 показва кривата на спектралното разпределение на слънчевата радиация. Вертикалната ос показва енергията на излъчване в диапазона на дължината на вълната (λ, λ + Δλ), излъчена за единица време, хоризонталната ос показва дължината на вълната на излъчване λ с диапазона на дължината на вълната на видимата светлина. Слънчевата радиация далеч надхвърля този диапазон. Съдържа ултравиолетово лъчение с дължина на вълната, по-къса от тази на видимата светлина, и инфрачервено лъчение с дължина на вълната, по-дълга от тази на видимата светлина. Слънчевата светлина съдържа всички дължини на вълните на видимата светлина, така че ние възприемаме слънчевата светлина като бяла.

Ориз. 7. Кривата на спектралното разпределение на слънчевата радиация - зависимостта на интензитета на радиацията от дължината на вълната

Максимумът на графиката е при дължина на вълната от около 500 nm, което съответства на зелено.

Положението на радиационния максимум се определя от температурата на излъчващото тяло. Колкото по-висока е температурата, толкова по-къса е дължината на вълната на радиационния максимум (фиг. 8.). Поради тази причина, когато нагрято тяло започне да свети, то първо свети в червено, а с повишаване на температурата цветът се променя на жълто и накрая на бяло, тъй като делът на светлината с по-къси дължини на вълната се увеличава.

Ориз. 8. Криви на спектралното разпределение на топлинното излъчване за различни температури на излъчващото тяло

Лъчението, излъчвано от хората и повечето от обектите около нас, не е видимо, тъй като максималното излъчване е в инфрачервения диапазон. Нашите очи не могат да възприемат такова лъчение, но то може да бъде засечено с термовизионна камера, която регистрира инфрачервено лъчение.

Кривите на спектралното разпределение на топлинното излъчване за по-високи температури са по-високи, отколкото за по-ниски. Това означава, че с повишаването на телесната температура общата радиационна енергия се увеличава. Площта под графиката (вижте Фигура 7) е мярка за общата енергия, излъчена на единица площ от тялото. Енергията, излъчвана от отделна повърхност, силно зависи от температурата. Ето защо телата с много висока температура светят много по-ярко от телата с по-ниска температура.

Формули, които отразяват зависимостта на топлинното излъчване от температурата

И така, максимумът на кривата на спектралното разпределение на радиацията се измества към по-къси дължини на вълните с повишаване на температурата. Дължината на вълната λmax, съответстваща на максималната радиация, е обратно пропорционална на абсолютната телесна температура: λmax=b / T, където b=2,89810-3 m·K - коефициент на пропорционалност (константа на Wien). Тази формула се нарича закон на Wien за изместване.

Анализ на графиките на фиг. 8 позволява да се направи още един извод. Виждаме, че кривите за по-високи температури лежат все по-високо. Това означава, че с повишаването на телесната температура общата радиационна енергия се увеличава. Тези връзки са много силни. Енергията на излъчване е право пропорционална на T4Зависимостта на енергията на излъчване от температурата, наречена закон на Стефан-Болцман, има следната форма: E=σT4 , където

където E е енергията, излъчена на единица площ от тялото и за единица време, T е температурата по скалата на Келвин, а σ е константата на Стефан-Болцман, която е равна на: σ=5,67 - 10-8W / (m2K4).

Познаването на кривата на спектралното разпределение ви позволява да определите температурата на отдалечен светещ обект. Ако определим дължината на вълната, съответстваща на максимума на кривата, тогава след трансформиране на формулата на Wien получаваме стойността на температурата на обекта: T=b / λmax .

Така, без да напускате Земята, се определя температурата на Слънцето и другите звезди. Оказва се, че нашето Слънце излъчва по такъв начин, че кривата на спектралното разпределение съответства на температура от около 5800 K - средната температура на повърхността на Слънцето.

Ако знаем разстоянието до звезда, можем да изчислим диаметъра й въз основа на анализ на топлинното излъчване. Интензивността на радиацията намалява с разстоянието, но знаейки разстоянието, можем да изчислим общата енергия, излъчвана от звездата. Сега е достатъчно да разделим общата енергия на енергията, излъчена на единица площ, получена от закона на Стефан-Болцман, за да получим площта на диска на звездата, от която радиацията достига до нас.

Референция

    Ташликова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. надбавка. В 2 ч. Част 2. Минск, 2008.
  1. Савельев И. В. Курс по обща физика. - Т. 3. Квантова оптика. Атомна физика. Физика на твърдото тяло. Физика на атомното ядро и елементарните частици.
  2. Kuenzer, C. and S. Dech (2013): Термално инфрачервено дистанционно наблюдение: Сензори, методи, приложения (=Дистанционно наблюдение и цифрова обработка на изображения 17). Дордрехт: Springer.
  3. Физика. 11 клас: учебник. за общо образование институции: основни и профилни. нива / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; изд. В. И. Николаев, Н. А. Парфентева. - 19-то изд. - М.: Просвещение, 2010. - 399 с.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Сграда