Los cuerpos calentados emiten ondas electromagnéticas. Esta radiación se lleva a cabo convirtiendo la energía del movimiento térmico de las partículas del cuerpo en energía de radiación.

La regla de Prevost: Si dos cuerpos a la misma temperatura absorben diferentes cantidades de energía, entonces su radiación térmica a esta temperatura debe ser diferente.

radiativo(emisividad) o densidad espectral de la energía luminosidad de un cuerpo es el valor E n , T, numéricamente igual a la densidad de potencia superficial de la radiación térmica del cuerpo en el rango de frecuencia de una unidad de ancho:

Е n ,Т = dW/dn, W – potencia de radiación térmica.

La emisividad de un cuerpo depende de la frecuencia n, la temperatura absoluta del cuerpo T, el material, la forma y el estado de la superficie. En el sistema SI, En, T se mide en J/m 2.

La temperatura es una cantidad física que caracteriza el grado de calentamiento de un cuerpo. El cero absoluto es –273,15°C. Temperatura en Kelvin TK = t°C + 273,15°C.

Absorbente La capacidad de un cuerpo es la cantidad An, T, que muestra qué fracción de la energía incidente (adquirida) es absorbida por el cuerpo:

A n,T = absorción de W / disminución de W, .

Y n,T es una cantidad adimensional. Depende de n, T, de la forma del cuerpo, del material y del estado de la superficie.

Introduzcamos el concepto: cuerpo absolutamente negro (a.b.t.). Un cuerpo se llama a.ch.t. si a cualquier temperatura absorbe todas las ondas electromagnéticas que inciden sobre él, es decir, un cuerpo para el cual A n , Tº 1. Realice un a.ch.t. puede tener la forma de una cavidad con un pequeño orificio, cuyo diámetro es mucho menor que el diámetro de la cavidad (Fig. 3). La radiación electromagnética que ingresa a la cavidad a través del orificio, como resultado de múltiples reflejos de la superficie interna de la cavidad, es absorbida casi por completo, independientemente del material del que estén hechas las paredes de la cavidad. Los cuerpos reales no son completamente negros. Sin embargo, algunos de ellos tienen propiedades ópticas cercanas a las de a.ch.t. (hollín, negro platino, terciopelo negro). Un cuerpo se llama gris si su capacidad de absorción es la misma para todas las frecuencias y depende únicamente de la temperatura, el material y el estado de la superficie del cuerpo.

Arroz. 3. Modelo de un cuerpo absolutamente negro.

diámetro d de la entrada, diámetro D de la cavidad del a.ch.t.

ley de kirchhoff para radiación térmica. Para una frecuencia y temperatura arbitrarias, la relación entre la emisividad de un cuerpo y su absortividad es la misma para todos los cuerpos y es igual a la emisividad en, T de un cuerpo negro, que es función únicamente de la frecuencia y la temperatura.

E n,T / A n,T = e n,T.

De la ley de Kirchhoff se deduce que si un cuerpo a una temperatura dada T no absorbe radiación en un cierto rango de frecuencia (An, T = 0), entonces no puede emitir equilibrio a esta temperatura en el mismo rango de frecuencia. La capacidad de absorción de los cuerpos puede variar de 0 a 1. Los cuerpos opacos, cuyo grado de emisividad es 0, no emiten ni absorben ondas electromagnéticas. Reflejan completamente la radiación que incide sobre ellos. Si la reflexión se produce de acuerdo con las leyes de la óptica geométrica, entonces el cuerpo se llama espejo.

Un emisor térmico cuya emisividad espectral no depende de la longitud de onda se llama no selectivo, si depende - selectivo.

La física clásica no pudo explicar teóricamente la forma de la función de emisividad del a.ch.t. e n ,T, medido experimentalmente. Según la física clásica, la energía de cualquier sistema cambia continuamente, es decir puede tomar cualquier valor arbitrariamente cercano. En la región de altas frecuencias, e n ,T aumenta monótonamente al aumentar la frecuencia (“catástrofe ultravioleta”). En 1900, M. Planck propuso una fórmula para la emisividad de un a.h.t.:

,

,

según el cual la emisión y absorción de energía por partículas de un cuerpo radiante no debe ocurrir de forma continua, sino discreta, en porciones separadas, cuantos, cuya energía

Integrando la fórmula de Planck sobre frecuencias, obtenemos la densidad de radiación volumétrica del AC, Ley de Stefan-Boltzmann:

mi T = stT 4,

donde s es la constante de Stefan-Boltzmann, igual a 5,67 × 10 -8 W × m -2 × K -4.

La emisividad integral de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. A bajas frecuencias e n, T es proporcional al producto n 2 T, y en la región de altas frecuencias e n, T es proporcional a n 3 exp(-an/T), donde a es una constante.

La densidad de radiación espectral máxima también se puede encontrar a partir de la fórmula de Planck: Ley de Viena: la frecuencia correspondiente al valor máximo de la emisividad de un cuerpo negro es proporcional a su temperatura absoluta. La longitud de onda lmax correspondiente al valor máximo de emisividad es igual a

l máx = b/T,

donde b es la constante de Wien, igual a 0,002898 m×K.

Los valores de l max y n max no están relacionados por la fórmula l = c/n, ya que los máximos de e n,T y e l,T se ubican en diferentes partes del espectro.

La distribución de energía en el espectro de radiación de un cuerpo absolutamente negro a diferentes temperaturas tiene la forma que se muestra en la figura. 4. Las curvas en T = 6000 y 300 K caracterizan la radiación del Sol y la humana, respectivamente. A temperaturas suficientemente altas (T>2500 K), parte del espectro de radiación térmica cae en la región visible.

Arroz. 4. Características espectrales de los cuerpos calentados.

La optoelectrónica estudia los flujos radiantes provenientes de objetos. Es necesario recolectar una cantidad suficiente de energía radiante de la fuente, transmitirla al receptor y resaltar la señal útil en el contexto de interferencias y ruido. Distinguir activo Y pasivo método de funcionamiento del dispositivo. Un método se considera activo cuando existe una fuente de radiación y la radiación debe transmitirse al receptor. Un método pasivo de funcionamiento del dispositivo, cuando no hay una fuente especial y se utiliza la propia radiación del objeto. En la Fig. La Figura 5 muestra diagramas de bloques de ambos métodos.

Arroz. 5. Métodos de funcionamiento activo (a) y pasivo (b) del dispositivo.

Se utilizan varios esquemas ópticos para enfocar los flujos de radiación. Recordemos las leyes básicas de la óptica:

1. La ley de la propagación rectilínea de la luz.

2. La ley de independencia de los haces de luz.

3. Ley de reflexión de la luz.

4. La ley de la refracción de la luz.

La absorción de luz en una sustancia se determina como

I = I 0 exp(-ad),

donde I 0 e I son las intensidades de la onda de luz en la entrada de la capa de sustancia absorbente de espesor d y en la salida de ella, a es el coeficiente de absorción de luz por la sustancia (ley de Bouguer-Lambert).

En varios tipos de dispositivos utilizados en optoelectrónica, se enfoca la radiación proveniente de un objeto o fuente; modulación de radiación; descomposición de la radiación en un espectro mediante elementos dispersantes (prisma, rejillas, filtros); escaneo de espectro; centrándose en el receptor de radiación. A continuación, la señal se transmite a un dispositivo electrónico receptor, se procesa la señal y se registra la información.

Actualmente, en relación con la solución de una serie de problemas en la detección de objetos, se está desarrollando ampliamente la fotometría de pulso.

Capítulo 2. Fuentes de radiación en el rango óptico.

Las fuentes de radiación son todos los objetos que tienen una temperatura diferente a la temperatura del fondo. Los objetos pueden reflejar la radiación que cae sobre ellos, como la radiación solar. La radiación máxima del Sol es de 0,5 micras. Las fuentes de radiación incluyen edificios industriales, automóviles, el cuerpo humano, el cuerpo animal, etc. El modelo clásico más simple de emisor es un electrón que oscila alrededor de una posición de equilibrio según una ley armónica.

a lo natural Las fuentes de radiación incluyen el Sol, la Luna, la Tierra, las estrellas, las nubes, etc.

a artificial Las fuentes de radiación incluyen fuentes cuyos parámetros pueden controlarse. Estas fuentes se utilizan en iluminadores de dispositivos optoelectrónicos, en instrumentos para investigaciones científicas, etc.

La emisión de luz se produce como resultado de las transiciones de átomos y moléculas de estados con mayor energía a estados con menor energía. El brillo es causado por colisiones entre átomos sometidos a movimiento térmico o por impactos de electrones.

Entonces, ¿qué es la radiación térmica?

La radiación térmica es radiación electromagnética que surge debido a la energía del movimiento de rotación y vibración de los átomos y moléculas dentro de una sustancia. La radiación térmica es característica de todos los cuerpos que tienen una temperatura superior al cero absoluto.

La radiación térmica del cuerpo humano pertenece al rango infrarrojo de ondas electromagnéticas. Esta radiación fue descubierta por primera vez por el astrónomo inglés William Herschel. En 1865, el físico inglés J. Maxwell demostró que la radiación infrarroja es de naturaleza electromagnética y está formada por ondas con una longitud de 760 Nuevo Méjico hasta 1-2 milímetros. Muy a menudo, toda la gama de radiación IR se divide en áreas: cercana (750 Nuevo Méjico-2.500Nuevo Méjico), promedio (2.500 Nuevo Méjico - 50.000Nuevo Méjico) y de largo alcance (50.000 Nuevo Méjico-2.000.000Nuevo Méjico).

Consideremos el caso en el que el cuerpo A está ubicado en la cavidad B, que está limitada por una capa C reflectante ideal (impenetrable a la radiación) (Fig. 1). Como resultado de la reflexión múltiple desde la superficie interna del caparazón, la radiación se almacenará dentro de la cavidad del espejo y será parcialmente absorbida por el cuerpo A. En tales condiciones, la cavidad del sistema B - cuerpo A no perderá energía, sino que solo Habrá un intercambio continuo de energía entre el cuerpo A y la radiación que llena la cavidad B.

Figura 1. Reflexión múltiple de ondas térmicas de las paredes de espejo de la cavidad B

Si la distribución de energía permanece sin cambios para cada longitud de onda, entonces el estado de dicho sistema será de equilibrio y la radiación también será de equilibrio. El único tipo de radiación en equilibrio es la térmica. Si por alguna razón el equilibrio entre la radiación y el cuerpo cambia, entonces comienzan a ocurrir procesos termodinámicos que devolverán el sistema a un estado de equilibrio. Si el cuerpo A comienza a emitir más de lo que absorbe, entonces el cuerpo comienza a perder energía interna y la temperatura corporal (como medida de la energía interna) comenzará a bajar, lo que reducirá la cantidad de energía emitida. La temperatura del cuerpo descenderá hasta que la cantidad de energía emitida sea igual a la cantidad de energía absorbida por el cuerpo. Por tanto, se producirá un estado de equilibrio.

La radiación térmica de equilibrio tiene las siguientes propiedades: homogénea (la misma densidad de flujo de energía en todos los puntos de la cavidad), isotrópica (las posibles direcciones de propagación son igualmente probables), no polarizada (las direcciones y valores de los vectores de intensidad del campo eléctrico y magnético en todos los puntos de la cavidad cambian caóticamente).

Las principales características cuantitativas de la radiación térmica son:

- luminosidad energética es la cantidad de energía de radiación electromagnética en todo el rango de longitudes de onda de radiación térmica que emite un cuerpo en todas direcciones desde una unidad de superficie por unidad de tiempo: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] La luminosidad de la energía depende de la naturaleza del cuerpo, la temperatura del cuerpo, el estado de la superficie del cuerpo y la longitud de onda de la radiación.

- densidad de luminosidad espectral - luminosidad energética de un cuerpo para longitudes de onda dadas (λ + dλ) a una temperatura dada (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

La luminosidad energética de un cuerpo dentro de ciertas longitudes de onda se calcula integrando R λ,T = f(λ, T) para T = const:

- coeficiente de absorción - la relación entre la energía absorbida por el cuerpo y la energía incidente. Entonces, si la radiación del flujo dФ inc cae sobre un cuerpo, entonces una parte se refleja desde la superficie del cuerpo - dФ neg, la otra parte pasa al cuerpo y parcialmente se convierte en calor dФ abs, y la tercera parte , después de varias reflexiones internas, atraviesa el cuerpo hacia afuera dФ inc : α = dФ abs./dФ abajo.

El coeficiente de absorción α depende de la naturaleza del cuerpo absorbente, la longitud de onda de la radiación absorbida, la temperatura y el estado de la superficie del cuerpo.

- coeficiente de absorción monocromático- coeficiente de absorción de la radiación térmica de una longitud de onda dada a una temperatura dada: α λ,T = f(λ,T)

Entre los cuerpos hay cuerpos que pueden absorber toda la radiación térmica de cualquier longitud de onda que incide sobre ellos. Estos cuerpos idealmente absorbentes se denominan cuerpos absolutamente negros. Para ellos α =1.

También hay cuerpos grises para los cuales α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

El modelo de cuerpo negro es una pequeña cavidad con una carcasa resistente al calor. El diámetro del orificio no supera el 0,1 del diámetro de la cavidad. A temperatura constante, el agujero emite algo de energía, correspondiente a la luminosidad energética de un cuerpo completamente negro. Pero el agujero negro es una idealización. Pero las leyes de la radiación térmica del cuerpo negro ayudan a acercarse a los patrones reales.

2. Leyes de la radiación térmica.

1. Ley de Kirchhoff. La radiación térmica es equilibrio: la cantidad de energía emitida por un cuerpo es la cantidad que absorbe. Para tres cuerpos situados en una cavidad cerrada podemos escribir:

La relación indicada también será cierta cuando uno de los cuerpos sea AC:

Porque para el cuerpo negro α λT .
Ésta es la ley de Kirchhoff: la relación entre la densidad espectral de la luminosidad energética de un cuerpo y su coeficiente de absorción monocromática (a una determinada temperatura y para una determinada longitud de onda) no depende de la naturaleza del cuerpo y es igual para todos los cuerpos. la densidad espectral de la luminosidad energética a la misma temperatura y longitud de onda.

Corolarios de la ley de Kirchhoff:
1. La luminosidad energética espectral del cuerpo negro es una función universal de la longitud de onda y la temperatura corporal.
2. La luminosidad energética espectral del cuerpo negro es máxima.
3. La luminosidad de la energía espectral de un cuerpo arbitrario es igual al producto de su coeficiente de absorción por la luminosidad de la energía espectral de un cuerpo absolutamente negro.
4. Cualquier cuerpo a una temperatura determinada emite ondas de la misma longitud de onda que emite a una temperatura determinada.

Un estudio sistemático de los espectros de varios elementos permitió a Kirchhoff y Bunsen establecer una conexión inequívoca entre los espectros de absorción y emisión de gases y la individualidad de los átomos correspondientes. Así se sugirió análisis espectral, con el que se pueden identificar sustancias cuya concentración sea de 0,1 nm.

Distribución de la densidad espectral de la luminosidad energética para un cuerpo absolutamente negro, un cuerpo gris, un cuerpo arbitrario. La última curva tiene varios máximos y mínimos, lo que indica la selectividad de emisión y absorción de dichos cuerpos.

2. Ley de Stefan-Boltzmann.
En 1879, los científicos austriacos Joseph Stefan (experimentalmente para un cuerpo arbitrario) y Ludwig Boltzmann (teóricamente para un cuerpo negro) establecieron que la luminosidad energética total en todo el rango de longitudes de onda es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo:

3. Ley del Vino.
El físico alemán Wilhelm Wien formuló en 1893 una ley que determina la posición de la densidad espectral máxima de la luminosidad energética de un cuerpo en el espectro de radiación del cuerpo negro en función de la temperatura. Según la ley, la longitud de onda λ max, que representa la densidad espectral máxima de la luminosidad energética del cuerpo negro, es inversamente proporcional a su temperatura absoluta T: λ max = В/t, donde В = 2,9*10 -3 m·K es la constante de Wien.

Por lo tanto, al aumentar la temperatura, no solo cambia la energía de radiación total, sino también la forma misma de la curva de distribución de la densidad espectral de la luminosidad de la energía. Al aumentar la temperatura, la densidad espectral máxima se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. Por tanto, la ley de Wien se llama ley de desplazamiento.

Se aplica la ley del vino en pirometría óptica- un método para determinar la temperatura a partir del espectro de radiación de cuerpos muy calientes que se encuentran lejos del observador. Fue este método el que determinó por primera vez la temperatura del Sol (para 470 nm T = 6160 K).

Las leyes presentadas no nos permitieron encontrar teóricamente ecuaciones para la distribución de la densidad espectral de la luminosidad energética en longitudes de onda. Los trabajos de Rayleigh y Jeans, en los que los científicos estudiaron la composición espectral de la radiación del cuerpo negro basándose en las leyes de la física clásica, llevaron a dificultades fundamentales llamadas la catástrofe ultravioleta. En el rango de ondas ultravioleta, la luminosidad energética del cuerpo negro debería haber llegado al infinito, aunque en experimentos disminuyó a cero. Estos resultados contradecían la ley de conservación de la energía.

4. La teoría de Planck. Un científico alemán propuso en 1900 la hipótesis de que los cuerpos no emiten continuamente, sino en porciones separadas: cuantos. La energía cuántica es proporcional a la frecuencia de radiación: E = hν = h·c/λ, donde h = 6,63*10 -34 J·s Constante de Planck.

Guiado por ideas sobre la radiación cuántica del cuerpo negro, obtuvo una ecuación para la densidad espectral de la luminosidad energética del cuerpo negro:

Esta fórmula está de acuerdo con datos experimentales en todo el rango de longitudes de onda a todas las temperaturas.

El sol es la principal fuente de radiación térmica en la naturaleza. La radiación solar ocupa una amplia gama de longitudes de onda: desde 0,1 nm hasta 10 mo más. El 99% de la energía solar se produce en el rango de 280 a 6000 Nuevo Méjico. Por unidad de superficie de la superficie terrestre, en las montañas hay de 800 a 1000 W/m2. Una dos milmillonésima parte del calor llega a la superficie terrestre: 9,23 J/cm2. Para el rango de radiación térmica de 6000 a 500000 Nuevo Méjico Representa el 0,4% de la energía del sol. En la atmósfera terrestre, la mayor parte de la radiación infrarroja es absorbida por moléculas de agua, oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. El alcance de la radio también es absorbido en su mayor parte por la atmósfera.

La cantidad de energía que los rayos del sol aportan por 1 s a un área de 1 m2, ubicada fuera de la atmósfera terrestre a una altitud de 82 km perpendicular a los rayos del sol, se llama constante solar. Es igual a 1,4 * 10 3 W/m 2.

La distribución espectral de la densidad de flujo normal de la radiación solar coincide con la del cuerpo negro a una temperatura de 6.000 grados. Por tanto, el Sol en relación con la radiación térmica es un cuerpo negro.

3. Radiación de cuerpos reales y del cuerpo humano.

La radiación térmica de la superficie del cuerpo humano juega un papel importante en la transferencia de calor. Existen tales métodos de transferencia de calor: conductividad térmica (conducción), convección, radiación, evaporación. Dependiendo de las condiciones en las que se encuentre una persona, cada uno de estos métodos puede tener un papel dominante (por ejemplo, a temperaturas ambientales muy altas, el papel principal pertenece a la evaporación, y en agua fría, a la conducción, y una temperatura del agua de 15 grados es un ambiente letal para una persona desnuda, y después de 2 a 4 horas se produce desmayo y muerte debido a hipotermia del cerebro). La proporción de radiación en la transferencia total de calor puede oscilar entre el 75 y el 25%. En condiciones normales, alrededor del 50% en reposo fisiológico.

La radiación térmica, que desempeña un papel en la vida de los organismos vivos, se divide en longitudes de onda cortas (de 0,3 a 3 µm) y longitud de onda larga (de 5 a 100 µm). La fuente de radiación de onda corta es el Sol y las llamas abiertas, y los organismos vivos son exclusivamente receptores de dicha radiación. Los organismos vivos emiten y absorben la radiación de onda larga.

El valor del coeficiente de absorción depende de la relación entre las temperaturas del medio y del cuerpo, el área de su interacción, la orientación de estas áreas y, para la radiación de onda corta, del color de la superficie. Así, solo el 18% de la radiación de onda corta se refleja en los negros, mientras que en las personas de raza blanca es aproximadamente el 40% (lo más probable es que el color de la piel de los negros en la evolución no haya tenido nada que ver con la transferencia de calor). Para la radiación de onda larga, el coeficiente de absorción es cercano a 1.

Calcular la transferencia de calor por radiación es una tarea muy difícil. La ley de Stefan-Boltzmann no se puede utilizar para cuerpos reales, ya que tienen una dependencia más compleja de la luminosidad energética de la temperatura. Resulta que depende de la temperatura, la naturaleza del cuerpo, la forma del cuerpo y el estado de su superficie. Con un cambio de temperatura, el coeficiente σ y el exponente de temperatura cambian. La superficie del cuerpo humano tiene una configuración compleja, la persona usa ropa que cambia la radiación y el proceso se ve afectado por la postura en la que se encuentra.

Para un cuerpo gris, la potencia de radiación en todo el rango está determinada por la fórmula: P = α d.t. σ·T 4 ·S Considerando, con ciertas aproximaciones, que los cuerpos reales (piel humana, tejidos de ropa) están próximos a los cuerpos grises, podemos encontrar una fórmula para calcular la potencia de radiación de los cuerpos reales a una determinada temperatura: P = α· σ·T 4 ·S En diferentes condiciones temperaturas del cuerpo radiante y del ambiente: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Hay características de la densidad espectral de la luminosidad energética de los cuerpos reales: en 310 A, que corresponde a la temperatura media del cuerpo humano, la radiación térmica máxima se produce a 9700 Nuevo Méjico. Cualquier cambio en la temperatura corporal provoca un cambio en la potencia de la radiación térmica de la superficie del cuerpo (0,1 grados es suficiente). Por lo tanto, el estudio de las áreas de la piel conectadas a través del sistema nervioso central a ciertos órganos ayuda a identificar enfermedades, como resultado de las cuales la temperatura cambia de manera bastante significativa ( termografía de las zonas de Zakharyin-Ged).

Un método interesante de masaje sin contacto con el biocampo humano (Juna Davitashvili). Potencia de radiación térmica de la palma 0,1 W., y la sensibilidad térmica de la piel es 0,0001 W/cm 2 . Si actúa sobre las zonas mencionadas anteriormente, puede estimular reflexivamente el trabajo de estos órganos.

4. Efectos biológicos y terapéuticos del calor y el frío.

El cuerpo humano emite y absorbe constantemente radiación térmica. Este proceso depende de la temperatura del cuerpo humano y del medio ambiente. La radiación infrarroja máxima del cuerpo humano se sitúa en 9300 nm.

Con dosis pequeñas y medianas de irradiación IR, se potencian los procesos metabólicos y se aceleran las reacciones enzimáticas, los procesos de regeneración y reparación.

Como resultado de la acción de los rayos infrarrojos y la radiación visible, se forman en los tejidos sustancias biológicamente activas (bradicinina, kalidina, histamina, acetilcolina, principalmente sustancias vasomotoras, que desempeñan un papel en la implementación y regulación del flujo sanguíneo local).

Como resultado de la acción de los rayos infrarrojos, se activan los termorreceptores de la piel, cuya información se envía al hipotálamo, como resultado de lo cual los vasos sanguíneos de la piel se dilatan, aumenta el volumen de sangre que circula en ellos y aumenta la sudoración. aumenta.

La profundidad de penetración de los rayos infrarrojos depende de la longitud de onda, la humedad de la piel, su llenado de sangre, el grado de pigmentación, etc.

El eritema rojo aparece en la piel humana bajo la influencia de los rayos infrarrojos.

Se utiliza en la práctica clínica para influir en la hemodinámica local y general, aumentar la sudoración, relajar los músculos, reducir el dolor, acelerar la reabsorción de hematomas, infiltrados, etc.

En condiciones de hipertermia, el efecto antitumoral de la radioterapia (termorradioterapia) aumenta.

Las principales indicaciones para el uso de la terapia IR: procesos inflamatorios agudos no purulentos, quemaduras y congelaciones, procesos inflamatorios crónicos, úlceras, contracturas, adherencias, lesiones de articulaciones, ligamentos y músculos, miositis, mialgias, neuralgias. Principales contraindicaciones: tumores, inflamaciones purulentas, hemorragias, insuficiencia circulatoria.

El frío se utiliza para detener hemorragias, aliviar el dolor y tratar determinadas enfermedades de la piel. El endurecimiento conduce a la longevidad.

Bajo la influencia del frío, la frecuencia cardíaca y la presión arterial disminuyen y se inhiben las reacciones reflejas.

En determinadas dosis, el frío estimula la curación de quemaduras, heridas purulentas, úlceras tróficas, erosiones y conjuntivitis.

criobiología- estudia los procesos que ocurren en células, tejidos, órganos y el cuerpo bajo la influencia de temperaturas bajas y no fisiológicas.

Utilizado en medicina crioterapia Y hipertermia. La crioterapia incluye métodos basados ​​​​en el enfriamiento dosificado de tejidos y órganos. La criocirugía (parte de la crioterapia) utiliza la congelación local de tejidos con el fin de extirparlos (parte de la amígdala. En todo caso, crioamigdalectomía. Se pueden extirpar tumores, por ejemplo, piel, cuello uterino, etc.) Crioextracción basada en crioadhesión (adherencia de cuerpos mojados a un bisturí congelado ) - separación de una parte de un órgano.

Con la hipertermia, es posible preservar las funciones de los órganos in vivo durante algún tiempo. La hipotermia con anestesia se utiliza para preservar la función de los órganos en ausencia de suministro de sangre, ya que el metabolismo de los tejidos se ralentiza. Los tejidos se vuelven resistentes a la hipoxia. Se utiliza anestesia fría.

La acción del calor se realiza mediante lámparas incandescentes (lámpara Minin, Solux, baño termoluminoso, lámpara de rayos IR) utilizando medios físicos que tienen una alta capacidad calorífica, mala conductividad térmica y buena capacidad de retención de calor: lodo, parafina, ozoquerita, naftaleno, etc.

5. Fundamentos físicos de la termografía Cámaras termográficas

La termografía, o imagen térmica, es un método de diagnóstico funcional basado en el registro de la radiación infrarroja del cuerpo humano.

Hay 2 tipos de termografía:

- termografía colestérica de contacto: El método utiliza las propiedades ópticas de los cristales líquidos colestéricos (mezclas multicomponentes de ésteres y otros derivados del colesterol). Estas sustancias reflejan selectivamente diferentes longitudes de onda, lo que permite obtener imágenes del campo térmico de la superficie del cuerpo humano en películas de estas sustancias. Se dirige un chorro de luz blanca sobre la película. Las diferentes longitudes de onda se reflejan de manera diferente en la película dependiendo de la temperatura de la superficie sobre la que se aplica el colestérico.

Bajo la influencia de la temperatura, los colestéricos pueden cambiar de color de rojo a violeta. Como resultado, se forma una imagen en color del campo térmico del cuerpo humano, que es fácil de descifrar conociendo la relación temperatura-color. Hay colestéricos que permiten registrar una diferencia de temperatura de 0,1 grados. Por lo tanto, es posible determinar los límites del proceso inflamatorio, focos de infiltración inflamatoria en diferentes etapas de su desarrollo.

En oncología, la termografía permite identificar ganglios metastásicos con un diámetro de 1,5-2 milímetros en la glándula mamaria, piel, glándula tiroides; en ortopedia y traumatología, evaluar el riego sanguíneo de cada segmento del miembro, por ejemplo, antes de la amputación, anticipar la profundidad de la quemadura, etc.; en cardiología y angiología, identificar alteraciones en el funcionamiento normal del sistema cardiovascular, trastornos circulatorios debido a enfermedades vibratorias, inflamación y obstrucción de los vasos sanguíneos; venas varicosas, etc.; en neurocirugía, determinar la ubicación de las lesiones de la conducción nerviosa, confirmar la ubicación de la neuroparálisis causada por la apoplejía; en obstetricia y ginecología, determinar el embarazo, localización del lugar del niño; diagnosticar una amplia gama de procesos inflamatorios.

- Teletermografía - se basa en la conversión de la radiación infrarroja del cuerpo humano en señales eléctricas que se registran en la pantalla de una cámara termográfica u otro dispositivo de grabación. El método es sin contacto.

La radiación IR se percibe mediante un sistema de espejos, después de lo cual los rayos IR se dirigen al receptor de ondas IR, cuya parte principal es un detector (fotorresistor, bolómetro metálico o semiconductor, termoelemento, indicador fotoquímico, convertidor electrón-óptico, piezoeléctrico). detectores, etc.).

Las señales eléctricas del receptor se transmiten a un amplificador y luego a un dispositivo de control, que sirve para mover espejos (escanear un objeto), calentar una fuente de luz puntual TIS (proporcional a la radiación térmica) y mover una película fotográfica. Cada vez la película se ilumina con TIS según la temperatura corporal en el sitio de estudio.

Después del dispositivo de control, la señal se puede transmitir a un sistema informático con pantalla. Esto le permite almacenar termogramas y procesarlos mediante programas analíticos. Las cámaras termográficas en color proporcionan capacidades adicionales (los colores similares en temperatura se indican en colores contrastantes) y se pueden dibujar isotermas.

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Al pasar la radiación de un cuerpo a través de un dispositivo que lo descompone en un espectro, se puede juzgar la presencia de ondas de una u otra longitud en la radiación, así como evaluar la distribución de energía en partes del espectro. Estos espectros se llaman Los espectros de emisión. Resulta que los vapores y gases (especialmente los monoatómicos), cuando se calientan o durante una descarga eléctrica, dan (a bajas presiones, cuando la interacción de los átomos es prácticamente imperceptible) espectros lineales que consisten en "líneas" relativamente estrechas, es decir, intervalos de frecuencia estrechos. , donde la intensidad de la radiación es significativa. Así, el hidrógeno produce cinco líneas en la parte visible del espectro, el sodio, una línea (amarilla). Cuando se utilizan equipos espectrales de alta resolución, se revela una estructura compleja en varias líneas. Al aumentar la presión, cuando se ve afectada la interacción de los átomos entre sí, así como con la estructura compleja de las moléculas, se obtienen líneas más anchas, que se convierten en bandas enteras relativamente anchas de una estructura compleja (espectros de tira). Estos espectros rayados se observan especialmente en líquidos. Finalmente, cuando se calientan, los sólidos dan espectros casi continuos, pero la distribución de intensidad a lo largo del espectro es diferente para diferentes cuerpos.

La composición espectral de la radiación también depende de la temperatura de los cuerpos. Cuanto mayor es la temperatura, más predominan (en igualdad de condiciones) las frecuencias más altas. Así, a medida que aumenta la temperatura del filamento de una lámpara incandescente y cambia la corriente que lo atraviesa, el color de la espiral cambia: al principio el filamento brilla débilmente con luz roja, luego la radiación visible se vuelve más intensa y de longitud de onda corta. Predomina la parte amarillo-verde del espectro. Pero, como quedará claro más adelante, en este caso la mayor parte de la energía emitida corresponde al rango infrarrojo invisible.

Si la radiación con un espectro continuo pasa a través de una capa de materia, se produce una absorción parcial, lo que da como resultado líneas con una intensidad mínima en el espectro continuo de radiación. En la parte visible del espectro, aparecen en contraste como franjas (o líneas) oscuras; tales espectros se llaman espectro de absorción. Así, el espectro solar, cortado por un sistema de finas líneas oscuras (líneas de Fraunhofer), es un espectro de absorción; ocurre en la atmósfera del Sol.

El estudio de los espectros muestra que con un cambio en la temperatura corporal, no solo cambia la emisión de luz, sino también su absorción. Al mismo tiempo, se descubrió que los cuerpos que emiten bien también tienen una mayor absorción (Prevost), y las frecuencias absorbidas coinciden con las emitidas (Kirchhoff). Aquí no se tienen en cuenta los fenómenos asociados a la conversión de frecuencia (luminiscencia, efecto Compton, dispersión Raman), que normalmente desempeñan un papel menor.

De particular interés para los físicos del siglo XIX. causó radiación de cuerpos calentados. El hecho es que con una descarga eléctrica, con algunas reacciones químicas (quimioluminiscencia), con luminiscencia ordinaria, se requiere un gasto continuo de energía, por lo que surge radiación, es decir, el proceso no está en equilibrio.

La radiación de un cuerpo calentado en determinadas condiciones puede estar en equilibrio, ya que la energía emitida puede ser absorbida. En el siglo 19 la termodinámica se desarrolló sólo para procesos de equilibrio; por lo tanto, sólo se podía esperar crear una teoría de la radiación de un cuerpo calentado.

Entonces, imaginemos un cuerpo que tiene una cavidad en su interior con paredes de espejo (es decir, que refleja completamente la radiación de cualquier frecuencia). Supongamos que se coloquen en esta cavidad dos cuerpos arbitrarios, que proporcionen un espectro continuo de radiación; su temperatura puede ser diferente al principio. Intercambiarán energía de radiación hasta que se establezca un estado de equilibrio: la energía absorbida por unidad de tiempo por el elemento superficial de cada cuerpo será igual a la energía emitida por el mismo elemento. En este caso, toda la cavidad se llenará con radiación de varias frecuencias. Según el físico ruso B.B. Golitsyn, a esta radiación se le debe asignar la misma temperatura que se establecerá en los cuerpos emisores después de alcanzar un estado de equilibrio.

Para una descripción cuantitativa, introducimos la función de distribución. mi(ν, T), llamado emisividad cuerpos. Trabajar edν, Dónde dν- un intervalo de frecuencia infinitesimal (cerca de la frecuencia ν), da la energía emitida por una unidad de superficie de un cuerpo por unidad de tiempo en el intervalo de frecuencia (ν, ν+ dν).

A continuación llamaremos capacidad de absorción función del cuerpo A(v,t), determinar la relación entre la energía absorbida por un elemento de la superficie de un cuerpo y la energía incidente sobre él contenida en el intervalo de frecuencia (v, ν + dν).

De la misma manera se puede determinar reflectividadr(ν , t) como la relación entre la energía reflejada en el rango de frecuencia (ν, v+dν) y la energía incidente.

Las paredes de espejos idealizadas tienen una reflectividad igual a la unidad en todo el rango de frecuencia, desde las más pequeñas hasta las arbitrariamente grandes.

Supongamos que ha llegado un estado de equilibrio, con el primer cuerpo irradiando potencia desde cada unidad de superficie por unidad de tiempo.

Si la radiación llega a esta única superficie desde la cavidad, descrita por la función Ɛ(v, t) dv, entonces la parte de la energía determinada por el producto a 1 (v, t) Ɛ(v, t) dv, será absorbida, el resto de la radiación será reflejada. Al mismo tiempo, se irradia potencia por unidad de superficie del segundo cuerpo. mi 2 (v, t) dv, a es absorbido a 2 (v, t)Ɛ(v, t) dv.

Se deduce que en equilibrio se cumple la condición:

Se puede representar en la forma

(11.1)

Esta entrada enfatiza que la relación entre la emisividad de cualquier cuerpo y su capacidad de absorción a una temperatura determinada en un rango de frecuencia estrecho determinado es un valor constante para todos los cuerpos. Esta constante es igual a la emisividad del llamado cuerpo negro(es decir, cuerpos con una capacidad de absorción igual a la unidad en todo el rango de frecuencia imaginable).

Este cuerpo negro resulta ser la cavidad que estamos considerando. Por lo tanto, si se hace un agujero muy pequeño en la pared de un cuerpo con una cavidad que no altera notablemente el equilibrio térmico, entonces un flujo de radiación débil de este agujero será característico de la radiación del cuerpo negro. Al mismo tiempo, está claro que la radiación que entra a la cavidad a través de un agujero de este tipo tiene una probabilidad insignificante de volver a salir, es decir, la cavidad tiene una absorción completa, como debería ser en un cuerpo negro. Se puede demostrar que nuestro razonamiento sigue siendo válido al sustituir las paredes de espejos por paredes con menos reflectividad; en lugar de dos cuerpos, puede tomar varios o uno, o simplemente considerar la radiación de las paredes de la cavidad (si no tienen forma de espejo). La ley expresada por la fórmula (11.1) se llama ley de Kirchhoff. De la ley de Kirchhoff se deduce que si la función Ɛ(v, T), Al caracterizar la radiación de un cuerpo negro, entonces la radiación de cualquier otro cuerpo podría determinarse midiendo su capacidad de absorción.

Tenga en cuenta que un pequeño agujero en la pared de, por ejemplo, un horno de mufla a temperatura ambiente parece negro, ya que, al absorber toda la radiación que ingresa a la cavidad, la cavidad casi no emite, al estar fría. Pero cuando se calientan las paredes del horno, el agujero parece brillar intensamente, ya que el flujo de radiación "negra" que sale de él a alta temperatura (900 K y más) es bastante intenso. A medida que aumenta la temperatura, la intensidad aumenta y la radiación roja inicialmente se percibe como amarilla y luego como blanca.

Si en la cavidad hay, por ejemplo, una taza de porcelana blanca con un patrón oscuro, entonces dentro del horno caliente el patrón no se notará, ya que su propia radiación, junto con la reflejada, coincide en composición con la radiación. llenando la cavidad. Si sacas rápidamente la taza a una habitación luminosa, al principio el patrón oscuro brilla más que el fondo blanco. Después de enfriarse, cuando la propia radiación de la taza se vuelve cada vez más pequeña, la luz que llena la habitación vuelve a producir un patrón oscuro sobre un fondo blanco.

Leyes de la radiación térmica. Calidez radiante.

Esto puede ser una novedad para algunos, pero la transferencia de temperatura se produce no sólo por la conductividad térmica a través del contacto de un cuerpo con otro. Cada cuerpo (Sólido, líquido y gaseoso) emite rayos de calor de una determinada onda. Estos rayos, al salir de un cuerpo, son absorbidos por otro cuerpo y adquieren calor. E intentaré explicaros cómo ocurre esto y cuánto calor perdemos con esta radiación en casa. (Creo que a muchos les interesará ver estos números). Al final del artículo resolveremos un problema a partir de un ejemplo real.

El artículo contendrá fórmulas de tres pisos y expresiones integrales para matemáticos, pero no les tengas miedo, ni siquiera tienes que ahondar en estas fórmulas. En el problema te daré fórmulas que se pueden resolver de una vez, y ni siquiera necesitas saber matemáticas superiores, basta con saber aritmética elemental.

Me he convencido más de una vez de que mientras estaba sentado junto al fuego (generalmente grande), estos rayos me quemaron la cara. Y si cubría el fuego con las palmas y extendía los brazos, resultaba que mi cara dejaba de arder. No es difícil adivinar que estos rayos son rectos como la luz. No es el aire que circula alrededor del fuego, ni siquiera el aire, lo que me quema, sino los rayos de calor directos e invisibles que provienen del fuego.

En el espacio suele haber vacío entre los planetas y por tanto la transferencia de temperaturas se realiza exclusivamente mediante rayos de calor (todos los rayos son ondas electromagnéticas).

La radiación térmica tiene la misma naturaleza que la luz y los rayos electromagnéticos (ondas). Simplemente, estas ondas (rayos) tienen diferentes longitudes de onda.

Por ejemplo, las longitudes de onda en el rango de 0,76 a 50 micrones se denominan infrarrojas. Todos los cuerpos a temperatura ambiente + 20 °C emiten principalmente ondas infrarrojas con longitudes de onda cercanas a las 10 micras.

Cualquier cuerpo, a menos que su temperatura sea diferente del cero absoluto (-273,15 °C), es capaz de enviar radiación al espacio circundante. Por tanto, cualquier cuerpo emite rayos sobre los cuerpos que lo rodean y, a su vez, es influenciado por la radiación de estos cuerpos.

Cualquier mueble de la casa (silla, mesa, paredes e incluso un sofá) emite rayos de calor.

La radiación térmica puede ser absorbida o transmitida a través del cuerpo, y también puede simplemente reflejarse desde el cuerpo. La reflexión de los rayos de calor es similar a la de un rayo de luz reflejado en un espejo. La absorción de radiación térmica es similar a cómo un techo negro se calienta mucho con los rayos del sol. Y la penetración o paso de los rayos es similar a cómo los rayos atraviesan el vidrio o el aire. El tipo de radiación electromagnética más común en la naturaleza es la radiación térmica.

Muy parecida en sus propiedades a un cuerpo negro es la llamada radiación relicta, o fondo cósmico de microondas, radiación que llena el Universo con una temperatura de aproximadamente 3 K.

En general, en la ciencia de la ingeniería térmica, para explicar los procesos de radiación térmica, conviene utilizar el concepto de cuerpo negro para explicar cualitativamente los procesos de radiación térmica. Sólo un cuerpo negro puede facilitar los cálculos de alguna manera.

Como se describió anteriormente, cualquier cuerpo es capaz de:

cuerpo negro- Este es un cuerpo que absorbe completamente la energía térmica, es decir, no refleja los rayos y la radiación térmica no lo atraviesa. Pero no olvidemos que un cuerpo negro emite energía térmica.

Por eso es tan fácil aplicar cálculos a este cuerpo.

¿Qué dificultades surgen en los cálculos si el cuerpo no es un cuerpo negro?

Un cuerpo que no es negro tiene los siguientes factores:

Estos dos factores complican tanto el cálculo que “madre, no te preocupes”. Es muy difícil pensar eso. Pero los científicos no han explicado realmente cómo calcular el cuerpo gris. Por cierto, un cuerpo gris es un cuerpo que no es un cuerpo negro.

También existe un concepto: cuerpo blanco y cuerpo transparente, pero hablaremos de eso más adelante.

Radiación termal tiene diferentes frecuencias (diferentes ondas) y cada cuerpo individual puede tener una longitud de onda de radiación diferente. Además, cuando cambia la temperatura, esta longitud de onda puede cambiar y su intensidad (fuerza de radiación) también puede cambiar.

Todos estos factores complicarán tanto el proceso que será difícil encontrar una fórmula universal para calcular las pérdidas de energía debidas a la radiación. Y por lo tanto, en los libros de texto y en cualquier literatura, se utiliza un cuerpo negro para los cálculos y otros cuerpos grises como parte del cuerpo negro. Para calcular el cuerpo gris se utiliza el coeficiente de negrura. Estos coeficientes se dan en libros de referencia para algunos materiales.

Veamos una imagen que confirma la complejidad del cálculo de la emisividad.

La figura muestra dos bolas que contienen partículas de esta bola. Las flechas rojas son rayos emitidos por partículas.

Consideremos un cuerpo negro.

Dentro del cuerpo negro, en el fondo hay unas partículas que están indicadas en naranja. Emiten rayos que absorben otras partículas cercanas, que se indican en amarillo. Los rayos de las partículas anaranjadas de un cuerpo negro no pueden atravesar otras partículas. Y por lo tanto, solo las partículas exteriores de esta bola emiten rayos sobre toda el área de la bola. Por tanto, el cálculo del cuerpo negro es fácil de calcular. También se acepta generalmente que un cuerpo negro emite todo el espectro de ondas. Es decir, emite todas las ondas disponibles de diferentes longitudes. Un cuerpo gris puede emitir parte del espectro de ondas, sólo de una determinada longitud de onda.

Consideremos un cuerpo gris.

Dentro del cuerpo gris, las partículas del interior emiten algunos de los rayos que atraviesan otras partículas. Y ésta es la única razón por la que el cálculo se vuelve más complicado.

Radiación termal- Se trata de radiación electromagnética que surge como resultado de la conversión de la energía del movimiento térmico de las partículas del cuerpo en energía de radiación. Es la naturaleza térmica de la excitación de emisores elementales (átomos, moléculas, etc.) la que contrasta la radiación térmica con todos los demás tipos de luminiscencia y determina su propiedad específica de depender únicamente de la temperatura y las características ópticas del cuerpo emisor.

La experiencia demuestra que la radiación térmica se observa en todos los cuerpos a cualquier temperatura distinta de 0 K. Por supuesto, la intensidad y la naturaleza de la radiación dependen de la temperatura del cuerpo emisor. Por ejemplo, todos los cuerpos con una temperatura ambiente de + 20 ° C emiten principalmente ondas infrarrojas con longitudes de onda cercanas a las 10 micrones, y el Sol emite energía, cuyo máximo es de 0,5 micrones, que corresponde al rango visible. En T → 0 K, los cuerpos prácticamente no emiten.

La radiación térmica conduce a una disminución de la energía interna del cuerpo y, en consecuencia, a una disminución de la temperatura corporal, al enfriamiento. Un cuerpo calentado libera energía interna debido a la radiación térmica y se enfría hasta la temperatura de los cuerpos circundantes. A su vez, al absorber radiación, los cuerpos fríos pueden calentarse. Estos procesos, que también pueden ocurrir en el vacío, se denominan radiación.

Cuerpo negro puro- una abstracción física utilizada en termodinámica, un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él en todos los rangos y no refleja nada. A pesar del nombre, un cuerpo completamente negro puede emitir radiación electromagnética de cualquier frecuencia y tener color visualmente. El espectro de radiación de un cuerpo completamente negro está determinado únicamente por su temperatura.

Mesa:

(Rango de temperatura en Kelvin y su color)

hasta 1000 rojo

1000-1500 Naranja

1500-2000 Amarillo

2000-4000 Amarillo pálido

4000-5500 Blanco amarillento

5500-7000 Blanco puro

7000-9000 Blanco azulado

9000-15000 Blanco-azul

15000-∞ Azul

Por cierto, basándonos en la longitud de onda (color), determinamos la temperatura del sol, que es de unos 6000 Kelvin. Las brasas suelen brillar en rojo. ¿Esto te recuerda algo? Puedes determinar la temperatura por color. Es decir, existen dispositivos que miden la longitud de onda, determinando así la temperatura del material.

Las sustancias reales más negras, por ejemplo el hollín, absorben hasta el 99% de la radiación incidente (es decir, tienen un albedo de 0,01) en el rango de longitud de onda visible, pero absorben mucho peor la radiación infrarroja. El color negro intenso de algunos materiales (carbón, terciopelo negro) y de la pupila del ojo humano se explica por el mismo mecanismo. Entre los cuerpos del Sistema Solar, el Sol tiene en mayor medida las propiedades de un cuerpo completamente negro. Por definición, el Sol prácticamente no refleja radiación. El término fue acuñado por Gustav Kirchhoff en 1862.

Según la clasificación espectral, el Sol pertenece al tipo G2V (“enana amarilla”). La temperatura de la superficie del Sol alcanza los 6000 K, por lo que el Sol brilla con una luz casi blanca, pero debido a la absorción de parte del espectro por la atmósfera terrestre cerca de la superficie de nuestro planeta, esta luz adquiere un tinte amarillo.

¡Los cuerpos absolutamente negros absorben el 100% y al mismo tiempo se calientan y viceversa! un cuerpo calentado - irradia al 100%, esto significa que existe un patrón estricto (fórmula de radiación de cuerpo negro) entre la temperatura del Sol - y su espectro - ya que tanto el espectro como la temperatura ya han sido determinados - sí, el Sol ha ¡No hay desviaciones de estos parámetros!

En astronomía existe un diagrama de este tipo: "Espectro-Luminosidad", por lo que nuestro Sol pertenece a la "secuencia principal" de estrellas, a la que pertenecen la mayoría de las otras estrellas, es decir, casi todas las estrellas son "cuerpos absolutamente negros", por extraño que parezca. puede parecer... Excepciones: enanas blancas, gigantes rojas y novas, supernovas...

Se trata de alguien que no estudió física en la escuela.

Un cuerpo completamente negro absorbe TODA la radiación y emite más que todos los demás cuerpos (cuanto más absorbe un cuerpo, más se calienta; cuanto más se calienta, más emite).

Tengamos dos superficies: gris (con un coeficiente de negrura de 0,5) y absolutamente negra (con un coeficiente de negrura de 1).

El coeficiente de emisividad es el coeficiente de absorción.

Ahora, dirigiendo el mismo flujo de fotones, digamos 100, hacia estas superficies.

Una superficie gris absorberá 50 de ellos, una superficie negra absorberá los 100.

¿Qué superficie emite más luz, en cuál “se sientan” 50 fotones o 100?

Planck fue el primero en calcular correctamente la radiación del cuerpo negro.

La radiación solar obedece aproximadamente a la fórmula de Planck.

Y entonces comencemos a estudiar la teoría...

La radiación se refiere a la emisión y propagación de ondas electromagnéticas de cualquier tipo. Dependiendo de la longitud de onda, existen: rayos X, ultravioleta, infrarrojos, radiación luminosa (visible) y ondas de radio.

radiación de rayos x- ondas electromagnéticas, cuya energía de fotones se encuentra en la escala de ondas electromagnéticas entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma, que corresponde a longitudes de onda de 10-2 a 103 angstroms. 10 angstroms = 1 nm. (0,001-100 nm)

Radiación ultravioleta(ultravioleta, ultravioleta, UV): radiación electromagnética que ocupa el rango entre el límite violeta de la radiación visible y la radiación de rayos X (10 - 380 nm).

Radiación infrarroja- radiación electromagnética, que ocupa la región espectral entre el extremo rojo de la luz visible (con longitud de onda λ = 0,74 μm) y la radiación de microondas (λ ~ 1-2 mm).

Ahora toda la gama de radiación infrarroja se divide en tres componentes:

Región de longitud de onda corta: λ = 0,74-2,5 µm;

Región de onda media: λ = 2,5-50 µm;

Región de longitud de onda larga: λ = 50-2000 µm;

Radiación visible- ondas electromagnéticas percibidas por el ojo humano. La sensibilidad del ojo humano a la radiación electromagnética depende de la longitud de onda (frecuencia) de la radiación, produciéndose la sensibilidad máxima a 555 nm (540 terahercios), en la parte verde del espectro. Dado que la sensibilidad disminuye gradualmente hasta cero a medida que nos alejamos del punto máximo, es imposible indicar los límites exactos del rango espectral de la radiación visible. Normalmente, la región de 380-400 nm (750-790 THz) se toma como límite de onda corta y 760-780 nm (385-395 THz) como límite de onda larga. La radiación electromagnética con estas longitudes de onda también se llama luz visible o simplemente luz (en el sentido estricto de la palabra).

Emisiones de radio(ondas de radio, frecuencias de radio): radiación electromagnética con longitudes de onda de 5 · 10−5-1010 metros y frecuencias, respectivamente, desde 6 · 1012 Hz y hasta varios Hz. Las ondas de radio se utilizan para transmitir datos en redes de radio.

Radiación termal es el proceso de propagación en el espacio de la energía interna de un cuerpo radiante mediante ondas electromagnéticas. Los agentes causantes de estas ondas son las partículas materiales que forman la sustancia. La propagación de ondas electromagnéticas no requiere un medio material; en el vacío se propagan a la velocidad de la luz y se caracterizan por una longitud de onda λ o una frecuencia de oscilación ν. A temperaturas de hasta 1500 °C, la mayor parte de la energía corresponde a radiación infrarroja y en parte a radiación luminosa (λ=0,7÷50 µm).

Cabe señalar que la energía de radiación no se emite de forma continua, sino en forma de determinadas porciones: cuantos. Los portadores de estas porciones de energía son partículas elementales de radiación: fotones, que tienen energía, cantidad de movimiento y masa electromagnética. Cuando la energía de la radiación incide en otros cuerpos, es parcialmente absorbida por ellos, parcialmente reflejada y parcialmente pasa a través del cuerpo. El proceso de convertir la energía de la radiación en energía interna de un cuerpo absorbente se llama absorción. La mayoría de los sólidos y líquidos emiten energía de todas las longitudes de onda en el rango de 0 a ∞, es decir, tienen un espectro de emisión continuo. Los gases emiten energía sólo en determinados rangos de longitud de onda (espectro de emisión selectiva). Los sólidos emiten y absorben energía a través de su superficie y los gases a través de su volumen.

La energía emitida por unidad de tiempo en un rango estrecho de longitudes de onda (de λ a λ+dλ) se denomina flujo de radiación monocromática Qλ. El flujo de radiación correspondiente a todo el espectro en el rango de 0 a ∞ se denomina flujo radiante integral o total Q(W). El flujo radiante integral emitido desde una unidad de superficie de un cuerpo en todas las direcciones del espacio hemisférico se denomina densidad de radiación integral (W/m2).

Para entender esta fórmula, considere la imagen.

No es casualidad que representé dos versiones del cuerpo. La fórmula es válida sólo para un cuerpo de forma cuadrada. Ya que la zona radiante debe ser plana. Siempre que sólo emita la superficie del cuerpo. Las partículas internas no emiten.

Conociendo la densidad de radiación del material, se puede calcular cuánta energía se gasta en radiación:

Es necesario entender que los rayos que emanan del avión tienen diferentes intensidades de radiación en relación a la normal del avión.

Ley de Lambert. La energía radiante emitida por un cuerpo se propaga en el espacio en diferentes direcciones con diferentes intensidades. La ley que establece la dependencia de la intensidad de la radiación de la dirección se llama ley de Lambert.

ley de lambert establece que la cantidad de energía radiante emitida por un elemento de la superficie en dirección a otro elemento es proporcional al producto de la cantidad de energía emitida a lo largo de la normal por la magnitud del ángulo espacial que forma la dirección de la radiación con la normal

Ver imagen.

La intensidad de cada rayo se puede encontrar usando la función trigonométrica:

Es decir, es una especie de coeficiente angular y obedece estrictamente a la trigonometría del ángulo. El coeficiente sólo funciona para un cuerpo negro. Dado que las partículas cercanas absorberán los rayos laterales. Para un cuerpo gris, es necesario tener en cuenta la cantidad de rayos que atraviesan las partículas. También hay que tener en cuenta la reflexión de los rayos.

En consecuencia, la mayor cantidad de energía radiante se emite en dirección perpendicular a la superficie de radiación. La ley de Lambert es completamente válida para un cuerpo absolutamente negro y para cuerpos con radiación difusa a una temperatura de 0 - 60°C. La ley de Lambert no se aplica a superficies pulidas. Para ellos, la emisión de radiación en un ángulo será mayor que en la dirección normal a la superficie.

A continuación definitivamente consideraremos fórmulas más voluminosas para calcular la cantidad de calor perdido por el cuerpo. Pero por ahora es necesario aprender algo más sobre la teoría.

Un poco sobre definiciones. Las definiciones te vendrán muy bien para expresarte correctamente.

Tenga en cuenta que la mayoría de los sólidos y líquidos tienen un espectro de radiación continuo (continuo). Esto significa que tienen la capacidad de emitir rayos de todas las longitudes de onda.

Incluso una mesa normal en una habitación, como un cuerpo sólido, puede emitir rayos X o radiación ultravioleta, pero su intensidad es tan baja que no sólo no lo notamos, sino que su valor en relación con otras ondas puede acercarse a cero.

El flujo radiante (o flujo de radiación) es la relación entre la energía radiante y el tiempo de radiación, W:

donde Q es la energía de radiación, J; t - tiempo, s.

Si un flujo radiante emitido por una superficie arbitraria en todas las direcciones (es decir, dentro de un hemisferio de radio arbitrario) ocurre en un rango estrecho de longitudes de onda de λ a λ+Δλ, entonces se llama flujo de radiación monocromática.

La radiación total de la superficie del cuerpo en todas las longitudes de onda del espectro se llama flujo de radiación integral o total Ф

El flujo integral emitido desde una unidad de superficie se llama densidad de flujo superficial de la radiación integral o emisividad, W/m2,

La fórmula también se puede utilizar para radiación monocromática. Si la radiación térmica monocromática cae sobre la superficie de un cuerpo, entonces, en el caso general, el cuerpo absorberá una parte igual a B λ de esta radiación, es decir, se convertirá en otra forma de energía como resultado de la interacción con la materia, la parte F λ se reflejará y la parte D λ atravesará el cuerpo. Si asumimos que la radiación que incide sobre el cuerpo es igual a la unidad, entonces

B λ +F λ +D λ =1

donde B λ, F λ, D λ son coeficientes de absorción y reflexión, respectivamente

y transmisión corporal.

Cuando dentro del espectro los valores de B, F, D permanecen constantes, es decir No dependen de la longitud de onda, no hay necesidad de índices. En este caso

Si B = 1 (F = D = 0), entonces un cuerpo que absorbe completamente toda la radiación que incide sobre él, independientemente de la longitud de onda, la dirección de incidencia y el estado de polarización de la radiación, se denomina cuerpo negro o emisor completo.

Si F=1 (B=D=0), entonces la radiación incidente sobre el cuerpo se refleja completamente. En el caso de que la superficie del cuerpo sea rugosa, los rayos se reflejan dispersamente (reflexión difusa) y el cuerpo se llama blanco, y cuando la superficie del cuerpo es lisa y la reflexión sigue las leyes de la óptica geométrica, entonces El cuerpo (superficie) se llama espejo. En el caso de que D = 1 (B = F = 0), el cuerpo es permeable a los rayos de calor (diatérmico).

Los sólidos y líquidos son prácticamente opacos a los rayos térmicos (D = 0), es decir atérmico. Para tales cuerpos

En la naturaleza no existen cuerpos absolutamente negros, ni tampoco transparentes o blancos. Estos cuerpos deben considerarse abstracciones científicas. Pero aún así, algunos cuerpos reales pueden tener propiedades bastante cercanas a estos cuerpos idealizados.

Cabe señalar que algunos cuerpos tienen determinadas propiedades en relación con los rayos de una determinada longitud de onda y diferentes propiedades en relación con los rayos de diferente longitud. Por ejemplo, un cuerpo puede ser transparente a los rayos infrarrojos y opaco a los rayos visibles (luz). La superficie de un cuerpo puede ser lisa en relación con los rayos de una longitud de onda y rugosa para los rayos de otra longitud de onda.

Los gases, especialmente los que se encuentran a baja presión, a diferencia de los sólidos y líquidos, emiten un espectro lineal. Así, los gases absorben y emiten rayos de sólo una determinada longitud de onda, pero no pueden emitir ni absorber otros rayos. En este caso se habla de absorción y emisión selectiva.

En la teoría de la radiación térmica, un papel importante lo desempeña una cantidad llamada densidad de flujo espectral de radiación, o emisividad espectral, que es la relación entre la densidad del flujo radiante emitido en un intervalo de longitud de onda infinitesimal de λ a λ+Δλ. al tamaño de este intervalo de longitud de onda Δλ, W/ m 2,

donde E es la densidad superficial del flujo radiante, W/m2.

Ahora espero que entiendas que el proceso de cálculo se está volviendo extremadamente difícil. Todavía tenemos que trabajar y trabajar en esta dirección. Cada material debe probarse a diferentes temperaturas. Pero por alguna razón prácticamente no hay datos sobre los materiales. O mejor dicho, no encontré un libro de referencia experimental sobre materiales.

¿Por qué no existe dicha guía de materiales? Porque la radiación térmica es muy pequeña y creo que es poco probable que supere el 10% en nuestras condiciones de vida. Por tanto, no se incluyen en el cálculo. Cuando volemos al espacio con frecuencia, aparecerán todos los cálculos. O mejor dicho, nuestra astronáutica ha acumulado datos sobre materiales, pero aún no están disponibles gratuitamente.

Ley de absorción de energía radiante.

Cada cuerpo es capaz de absorber una parte de la energía radiante, más sobre esto a continuación.

Si un flujo radiante cae sobre cualquier cuerpo de espesor l (ver figura), entonces, en el caso general, disminuye a medida que atraviesa el cuerpo. Se supone que el cambio relativo en el flujo radiante a lo largo de la trayectoria Δl ​​es directamente proporcional a la trayectoria del flujo:

El coeficiente de proporcionalidad b se denomina índice de absorción y generalmente depende de las propiedades físicas del cuerpo y de la longitud de onda.

Integrando en el rango de l a 0 y tomando b constante, obtenemos

Establezcamos una conexión entre el coeficiente de absorción espectral del cuerpo B λ y el coeficiente de absorción espectral de la sustancia b λ.

De la definición del coeficiente de absorción espectral B λ tenemos

Después de sustituir valores en esta ecuación, obtenemos la relación entre el coeficiente de absorción espectral B λ y el índice de absorción espectral B λ.

El coeficiente de absorción B λ es igual a cero en l 1 = 0 y b λ = 0. Para un valor grande de bλ, un valor muy pequeño de l es suficiente, pero aún no igual a cero, de modo que el valor de B λ está tan cerca de la unidad como se desea. En este caso, podemos decir que la absorción se produce en una fina capa superficial de la sustancia. Sólo en esta comprensión es posible hablar de absorción superficial. Para la mayoría de los sólidos, debido al gran valor del coeficiente de absorción b λ, la "absorción superficial" ocurre en el sentido indicado y, por lo tanto, el coeficiente de absorción está muy influenciado por el estado de su superficie.

Los cuerpos, aunque tengan un coeficiente de absorción bajo, como los gases, pueden, si son lo suficientemente gruesos, tener un coeficiente de absorción grande, es decir, se vuelven opacos a los rayos de una longitud de onda determinada.

Si b λ =0 para el intervalo Δλ, y para otras longitudes de onda b λ no es igual a cero, entonces el cuerpo absorberá radiación incidente solo de ciertas longitudes de onda. En este caso, como hemos comentado anteriormente, hablamos de un coeficiente de absorción selectiva.

Destaquemos la diferencia fundamental entre el coeficiente de absorción de una sustancia b λ y el coeficiente de absorción B λ de un cuerpo. El primero caracteriza las propiedades físicas de una sustancia en relación con los rayos de una determinada longitud de onda. El valor de B λ depende no sólo de las propiedades físicas de la sustancia que constituye el cuerpo, sino también de la forma, el tamaño y el estado de la superficie del cuerpo.

Leyes de radiación de energía radiante.

Max Planck teóricamente, basándose en la teoría electromagnética, estableció una ley (llamada ley de Planck) que expresa la dependencia de la emisividad espectral de un cuerpo negro E 0λ de la longitud de onda λ y la temperatura T.

donde E 0λ (λ,T) es la emisividad del cuerpo negro, W/m 2 ; T - temperatura termodinámica, K; C 1 y C 2 - constantes; C1 =2πhc2 =(3,74150±0,0003) 10-16 W m2; C2 =hc/k=(1,438790±0,00019)10-2; m K (aquí h=(6,626176±0,000036) 10 -34 J s es la constante de Planck; c=(299792458±1,2) m/s es la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio libre: k es la constante de Boltzmann. )

De la ley de Planck se deduce que la emisividad espectral puede ser cero a una temperatura termodinámica igual a cero (T=0), o a una longitud de onda λ = 0 y λ→∞ (en T≠0).

En consecuencia, un cuerpo negro emite a cualquier temperatura superior a 0 K. (T > 0) rayos de todas las longitudes de onda, es decir. tiene un espectro de emisión continuo (continuo).

De la fórmula anterior podemos obtener una expresión calculada para la emisividad de un cuerpo negro:

Integrando dentro del rango de cambios en λ de 0 a ∞ obtenemos

Como resultado de expandir el integrando en una serie e integrarlo, obtenemos una expresión calculada para la emisividad de un cuerpo negro, llamada ley de Stefan-Boltzmann:

donde E 0 es la emisividad del cuerpo negro, W/m 2 ;

σ - constante de Stefan Boltzmann, W/(m 2 K 4);

σ = (5,67032 ± 0,00071) 10 -8;

T - temperatura termodinámica, K.

La fórmula suele escribirse en una forma más conveniente para el cálculo:

Usaremos esta fórmula para los cálculos. Pero ésta no es la fórmula final. Sólo se aplica a cuerpos negros. A continuación se describirá cómo utilizarlo para carrocerías grises.

donde E 0 es la emisividad del cuerpo negro; C0 = 5,67 W/(m2K4).

La ley de Stefan-Boltzmann se formula de la siguiente manera: la emisividad de un cuerpo negro es directamente proporcional a su temperatura termodinámica elevada a la cuarta potencia.

Distribución espectral de la radiación del cuerpo negro a diferentes temperaturas.

λ - longitud de onda de 0 a 10 µm (0-10000 nm)

E 0λ - debe entenderse de la siguiente manera: como si hubiera una cierta cantidad de energía (W) en el volumen (m 3) de un cuerpo negro. Esto no significa que emita dicha energía únicamente desde sus partículas externas. Simplemente, si reunimos todas las partículas de un cuerpo negro en un volumen y medimos la emisividad de cada partícula en todas las direcciones y las sumamos todas, obtendremos la energía total en el volumen, que se indica en el gráfico.

Como puede verse por la ubicación de las isotermas, cada una de ellas tiene un máximo, y cuanto mayor es la temperatura termodinámica, mayor es el valor de E0λ correspondiente al máximo, y el punto máximo en sí se mueve hacia la región de ondas más cortas. El desplazamiento de la emisividad espectral máxima E0λmax a la región de ondas más cortas se conoce como

La ley de desplazamiento de Viena, según la cual

T λ max = 2,88 10 -3 m K = constante y λ max = 2,88 10 -3 / T,

donde λ max es la longitud de onda correspondiente al valor máximo de emisividad espectral E 0λmax.

Así, por ejemplo, a T = 6000 K (la temperatura aproximada de la superficie solar), el máximo E 0λ se encuentra en la región de radiación visible, en la que cae aproximadamente el 50% de la emisividad solar.

El área elemental bajo la isoterma, sombreada en el gráfico, es igual a E 0λ Δλ. Está claro que la suma de estas áreas, es decir la integral representa la emisividad del cuerpo negro E 0 . Por lo tanto, el área entre la isoterma y el eje x representa la emisividad del cuerpo negro en la escala convencional del diagrama. A valores bajos de temperatura termodinámica, las isotermas pasan muy cerca del eje de abscisas y el área indicada se vuelve tan pequeña que prácticamente puede considerarse igual a cero.

Los conceptos de los llamados cuerpos grises y radiación gris desempeñan un papel importante en la tecnología. Gray es un emisor térmico no selectivo capaz de emitir un espectro continuo, con emisividad espectral E λ para ondas de todas las longitudes y a todas las temperaturas, constituyendo una fracción constante de la emisividad espectral de un cuerpo negro E 0λ, es decir

La constante ε se denomina coeficiente de emisividad del emisor térmico. Para cuerpos grises, el coeficiente de emisividad ε

El gráfico muestra esquemáticamente las curvas de distribución de longitud de onda de la emisividad espectral de un cuerpo negro E λ (ε = 1) y la emisividad espectral de un cuerpo gris E λ de la misma temperatura que el cuerpo negro (en ε = 0,5 y ε = 0,25 ). Emisividad del cuerpo gris

Trabajar

llamado emisividad del cuerpo gris.

Los valores de emisividad obtenidos de la experiencia se dan en la literatura de referencia.

La mayoría de los cuerpos utilizados en tecnología pueden confundirse con cuerpos grises y su radiación se considera radiación gris. Estudios más precisos muestran que esto sólo es posible como una primera aproximación, pero es suficiente a efectos prácticos. La desviación de la ley de Stefan-Boltzmann para cuerpos grises generalmente se tiene en cuenta considerando que la emisividad C depende de la temperatura. En este sentido, las tablas indican el rango de temperatura para el cual se determina experimentalmente el valor de emisividad C.

A continuación, para simplificar las conclusiones, asumiremos que la emisividad de un cuerpo gris no depende de la temperatura.

Coeficientes de emisividad de algunos materiales.

(Material / Temperatura en °C / Valor E)

Aluminio oxidado / 200-600 / 0,11 -0,19

Aluminio pulido / 225-575 / 0,039-0,057

Ladrillo rojo / 20 / 0,93

Ladrillo refractario / - / 0,8-0,9

Cobre oxidado / 200-600 / 0,57-0,87

Plomo oxidado / 200 / 0,63

Acero pulido / 940-1100 / 0,55-0,61

Fundición torneada / 830-910 / 0,6-0,7

Hierro fundido oxidado / 200-600 / 0,64-0,78

Aluminio pulido / 50-500 / 0,04-0,06

Bronce / 50 / 0,1

Chapa de hierro galvanizada, brillante / 30 / 0,23

Lata blanca, vieja / 20 / 0,28

Oro pulido / 200 - 600 / 0,02-0,03

Latón mate / 20-350 / 0,22

Cobre pulido / 50-100 / 0,02

Níquel pulido / 200-400 / 0,07-0,09

Estaño brillante / 20-50 / 0,04-0,06

Plata pulida / 200-600 / 0,02-0,03

Chapas de acero laminadas / 50 / 0,56

Acero oxidado / 200-600 / 0,8

Acero altamente oxidado / 500 / 0,98

Hierro fundido / 50 / 0,81

Cartón de amianto / 20 / 0,96

Madera cepillada / 20 / 0,8-0,9

Ladrillo refractario / 500-1000 / 0,8-0,9

Ladrillo refractario / 1000 / 0,75

Ladrillo rojo, rugoso / 20 / 0,88-0,93

Barniz negro mate / 40-100 / 0,96-0,98

Barniz blanco / 40-100 / 0,8-0,95

Pinturas al óleo de varios colores / 100 / 0,92-0,96

Lámpara carbono / 20-400 / 0,95

Vidrio / 20-100 / 0,91-0,94

Esmalte blanco / 20 / 0,9

ley de kirchhoff

La ley de Kirchhoff establece la relación entre la emisividad y el coeficiente de absorción de un cuerpo gris.

Consideremos dos cuerpos grises paralelos de extensión infinita con superficies planas de área A cada uno.

Un plano infinitamente extendido permite realizar cálculos aproximados para encontrar la radiación real en experimentos prácticos y teóricos. En los experimentos teóricos, el valor real se encuentra utilizando expresiones integrales, y en los experimentos, un plano más grande acerca los cálculos a los valores reales. De este modo, parecemos extinguir la influencia de la radiación lateral y angular innecesaria, que se aleja y no es absorbida por las placas experimentales, con un gran plano infinito.

Es decir, si multiplicamos el coeficiente por la emisividad, obtenemos el valor de emisión resultante (W).

Podemos suponer que todos los rayos enviados por un cuerpo caen completamente sobre el otro. Supongamos que los coeficientes de transmitancia de estos cuerpos son D 1 = D 2 = 0 y hay un medio termotransparente (diatérmico) entre las superficies de los dos planos. Denotemos por E 1 , B 1 , F 1 , T 1 y E 2 , B 2 , F 2 , T 2 la emisividad, absorción, reflexión y temperaturas superficiales del primer y segundo cuerpo, respectivamente.

El flujo de energía radiante desde la superficie 1 a la superficie 2 es igual al producto de la emisividad de la superficie 1 y su área A, es decir E 1 A, de la cual parte de E 1 B 2 A es absorbida por la superficie 2, y parte de E 1 F 2 A se refleja de regreso a la superficie 1. De este flujo reflejado E 1 F 2 A, la superficie 1 absorbe E 1 F 2 B 1 A y refleja E 1 F 1 F 2 A. DEL flujo de energía reflejado E 1 F 1 F 2 A, la superficie 2 absorberá nuevamente E 1 F 1 F 2 B 2 A y reflejará E 1 F 1 F 2 A , etc.

De manera similar, la energía radiante se transfiere mediante el flujo E 2 desde la superficie 2 a la superficie 1. Como resultado, el flujo de energía radiante absorbido por la superficie 2 (o emitido por la superficie 1)

El flujo de energía radiante absorbida por la superficie 1 (o emitida por la superficie 2),

En el resultado final, el flujo de energía radiante transferido de la superficie 1 a la superficie 2 será igual a la diferencia entre los flujos radiantes Ф 1→2 y Ф 2→1, es decir

La expresión resultante es válida para todas las temperaturas T 1 y T 2 y, en particular, para T 1 = T 2. En el último caso, el sistema considerado está en equilibrio térmico dinámico y, basándose en la segunda ley de la termodinámica, es necesario poner Ф 1→2 = Ф 2→1 que sigue

mi 1 segundo 2 = mi 2 segundo 1 o

La igualdad resultante se llama ley de Kirchhoff: la relación entre la emisividad de un cuerpo y su coeficiente de absorción para todos los cuerpos grises a la misma temperatura es la misma e igual a la emisividad de un cuerpo negro a la misma temperatura.

Si un cuerpo tiene un coeficiente de absorción bajo, como por ejemplo un metal bien pulido, entonces este cuerpo también tiene una emisividad baja. Sobre esta base, para reducir la pérdida de calor por radiación al ambiente externo, las superficies que liberan calor se cubren con láminas de metal pulido para aislamiento térmico.

Al deducir la ley de Kirchhoff se tuvo en cuenta la radiación gris. La conclusión seguirá siendo válida incluso si la radiación térmica de ambos cuerpos se considera sólo en una determinada parte del espectro, pero sin embargo tiene el mismo carácter, es decir. ambos cuerpos emiten rayos cuyas longitudes de onda se encuentran en la misma región espectral arbitraria. En el caso límite llegamos al caso de la radiación monocromática. Entonces

aquellos. para la radiación monocromática, la ley de Kirchhoff debe formularse de la siguiente manera: la relación entre la emisividad espectral de un cuerpo en una determinada longitud de onda y su coeficiente de absorción en la misma longitud de onda es la misma para todos los cuerpos a las mismas temperaturas y es igual a la radiación espectral. Emisividad de un cuerpo negro con la misma longitud de onda y la misma temperatura.

Concluimos que para un cuerpo gris B = ε, es decir Los conceptos de “coeficiente de absorción” B y “coeficiente de negrura” ε para un cuerpo gris coinciden. Por definición, el coeficiente de emisividad no depende ni de la temperatura ni de la longitud de onda y, por tanto, el coeficiente de absorción de un cuerpo gris tampoco depende ni de la longitud de onda ni de la temperatura.

Radiación de gases

La radiación de los gases difiere significativamente de la radiación de los sólidos. Absorción y emisión de gases - selectiva (selectiva). Los gases absorben y emiten energía radiante sólo en ciertos intervalos bastante estrechos de longitudes de onda Δλ, las llamadas bandas. En el resto del espectro, los gases no emiten ni absorben energía radiante.

Los gases diatómicos tienen una capacidad insignificante para absorber energía radiante y, por tanto, una baja capacidad para emitirla. Por tanto, estos gases suelen considerarse diatérmicos. A diferencia de los gases diatómicos, los gases poliatómicos, incluidos los gases triatómicos, tienen una capacidad significativa para emitir y absorber energía radiante. De los gases triatómicos en el campo de los cálculos termotécnicos, los de mayor interés práctico son el dióxido de carbono (CO 2) y el vapor de agua (H 2 O), cada uno de los cuales tiene tres bandas de emisión.

A diferencia de los sólidos, el índice de absorción de los gases (por supuesto, en la zona de las bandas de absorción) es pequeño. Por tanto, para los cuerpos gaseosos ya no es posible hablar de absorción “superficial”, ya que la absorción de energía radiante se produce en un volumen finito de gas. En este sentido, la absorción y emisión de gases se denomina volumétrica. Además, el coeficiente de absorción b λ de los gases depende de la temperatura.

Según la ley de absorción, el coeficiente de absorción espectral de un cuerpo se puede determinar mediante:

Para los cuerpos gaseosos, esta dependencia es algo complicada por el hecho de que el coeficiente de absorción de gas se ve afectado por su presión. Esto último se explica por el hecho de que la absorción (radiación) es más intensa cuanto mayor es el número de moléculas que encuentran el haz en su trayectoria, y el número volumétrico de las moléculas (la relación entre el número de moléculas y el volumen) es directamente proporcional. a la presión (en t = const).

En los cálculos técnicos de la radiación de gases, los gases absorbentes (CO 2 y H 2 O) suelen incluirse como componentes de la mezcla de gases. Si la presión de la mezcla es p, y la presión parcial del gas absorbente (o emisor) es p i, entonces en lugar de l es necesario sustituir el valor p i 1. El valor p i 1, que es el producto del gas presión y su espesor, se denomina espesor efectivo de la capa. Por tanto, para los gases el coeficiente de absorción espectral

El coeficiente de absorción espectral de un gas (en el espacio) depende de las propiedades físicas del gas, la forma del espacio, sus dimensiones y la temperatura del gas. Entonces, de acuerdo con la ley de Kirchhoff, la emisividad espectral

Emisividad dentro de una banda espectral

Esta fórmula se utiliza para determinar la emisividad de un gas en el espacio libre (vacío). (El espacio libre puede considerarse como un espacio negro a 0 K.) Pero el espacio gaseoso siempre está limitado por la superficie de un cuerpo sólido, que en general tiene una temperatura T st ≠ T g y un coeficiente de emisividad ε st.

La emisividad de un gas en un espacio confinado es igual a la suma de las emisividades tomadas en todas las bandas espectrales:

Los estudios experimentales han demostrado que la emisividad de los gases no sigue la ley de Stefan-Boltzmann, es decir dependiendo de la cuarta potencia de la temperatura absoluta.

Sin embargo, para cálculos prácticos de la radiación de gases se utiliza la ley de la cuarta potencia, introduciendo una corrección adecuada al valor del coeficiente de emisividad del gas ε g:

Aquí ε g = f(T,p l)

Longitud media de la trayectoria del haz

donde V es el volumen de gas; A es el área de superficie del caparazón.

Emisividad de un gas cuyos componentes son CO 2 y H 2 O (gases de combustión) respecto de la capa de un cuerpo gris

en el que el último término tiene en cuenta la radiación intrínseca de la capa.

El llamado factor de emisividad efectiva de la cáscara ε" st, mayor que ε st, debido a la presencia de gas radiante.

Coeficiente de emisividad del gas a la temperatura del gas t g

En la figura se muestran los valores de emisividad ε CO2 y ε H2O dependiendo de la temperatura a diferentes valores del parámetro p i l.

El factor de corrección β se determina a partir del gráfico.

Las bandas de emisión y absorción de C0 2 y H 2 0 se superponen un poco y, por lo tanto, parte de la energía emitida por un gas es absorbida por el otro. Por lo tanto, el coeficiente de emisividad de una mezcla de dióxido de carbono y vapor de agua a una temperatura de pared t st

donde Δε g es la corrección teniendo en cuenta la absorción especificada. Para productos de combustión gaseosos de composición convencional, Δε g = 2 - 4% y puede despreciarse.

Se puede suponer que en ε st = 0,8 + 1,0, el coeficiente de emisividad efectiva del caparazón es ε" st = 0,5 (ε st + 1).

Estas características de la radiación y absorción de gases permiten establecer el mecanismo del llamado "efecto invernadero", que tiene un impacto significativo en la formación y cambio del clima de la Tierra.

La mayor parte de la radiación solar atraviesa la atmósfera y calienta la superficie de la Tierra. A su vez, la Tierra emite radiación infrarroja, lo que hace que se enfríe. Sin embargo, parte de esta radiación es absorbida por los gases poliatómicos (“de efecto invernadero”) de la atmósfera, que en consecuencia desempeñan el papel de una “manta” que retiene el calor. Al mismo tiempo, el mayor impacto en el calentamiento global lo ejercen gases "de efecto invernadero" como el dióxido de carbono (55%), los freones y gases afines (25%), el metano (15%), etc.

Algunas leyes se abordarán más adelante en la página siguiente. También se explicará detalladamente cómo se produce la radiación térmica a través de una ventana. Se describirán algunos factores que afectan la transferencia de calor por radiación, así como problemas de radiación de la vida real.

Radiación infrarroja o rayos infrarrojos, se trata de radiación electromagnética que ocupa la región espectral entre la luz roja (con una longitud de onda de 0,74 micras) y la radiación de radio de onda corta (1-2 mm).

El descubrimiento de la radiación infrarroja se produjo en 1800.
El científico inglés W. Herschel descubrió que en el espectro del Sol obtenido más allá del límite de la luz roja (es decir, en la parte invisible del espectro), la temperatura del termómetro aumenta. Un termómetro colocado detrás de la parte roja del espectro solar mostró un aumento de temperatura en comparación con los termómetros de control ubicados a un lado.

La región infrarroja del espectro según la clasificación internacional se divide en:
- al IR-A cercano (de 0,7 a 1,4 µm);
- IR-B medio (1,4 - 3 µm);
- IR-S lejano (más de 3 micras).

Todos los sólidos calentados emiten un espectro infrarrojo continuo. Esto significa que la radiación contiene ondas con todas las frecuencias sin excepción, y hablar de radiación en cualquier onda en particular es un ejercicio inútil. Un sólido calentado emite radiación en una gama muy amplia de longitudes de onda.

A bajas temperaturas (por debajo de 400°C), la radiación de un cuerpo sólido calentado se localiza casi por completo en la región infrarroja y dicho cuerpo parece oscuro. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la fracción de radiación en la región visible y el cuerpo aparece inicialmente:

Rojo oscuro................470-650°C

Rojo cereza............700°С

Rojo claro................800°С

Naranja intenso............900°С

Amarillo anaranjado............1000°С

Amarillo claro............1100°С

Amarillo pajizo.........1150°C

Blanco de diferente brillo......1200-1400°C

En este caso, aumentan tanto la energía de radiación total como la energía de la radiación infrarroja. A temperaturas superiores a 1000°C, un cuerpo calentado comienza a emitir radiación ultravioleta.

Leyes de la radiación térmica.

Un lugar especial en la teoría de la radiación térmica lo ocupa el Cuerpo Negro Absoluto (ABB). Así llamaba G. Kirchhoff a un cuerpo cuya capacidad de absorción es igual a la unidad en todas las frecuencias y en todas las temperaturas. Un cuerpo real siempre refleja parte de la energía de la radiación que incide sobre él. Incluso el hollín sólo se acerca a las propiedades de un cuerpo completamente negro en el campo óptico.

El cuerpo negro es el cuerpo de referencia en la teoría de la radiación térmica. Y, aunque no existe un cuerpo absolutamente negro en la naturaleza, es bastante sencillo implementar un modelo para el cual la capacidad de absorción en todas las frecuencias será insignificantemente diferente de la unidad. A continuación se muestran las leyes que se aplican al agujero negro.

Ley básica de la radiación térmica de Planck establece la dependencia de la emisividad de un cuerpo R de la longitud de onda λ y temperatura corporal T.

En la figura se muestra la dependencia de R de la longitud de onda a temperatura constante. La potencia de radiación tiene un máximo en un cierto valor. λ máx.

Aunque el espectro cambia con la temperatura, tiene patrones generales que no dependen de T, si las ondas se expresan en una unidad adimensional λ /λ máx. Entonces, la proporción de energía emitida en diferentes áreas no depende de la temperatura (la proporción en % de la energía total se muestra en la figura). Es útil recordar que Aproximadamente el 90% de la energía está en el intervalo espectral.λ /λ máx = 0,5 ... 3,0, es decir de l máx /2 a 3 l máx.

Ley de desplazamiento de Viena . Longitud de onda lmax , correspondiente a la máxima densidad espectral de emisividad del cuerpo negro, inversamente proporcional a la temperatura: l máx = 2,9/tdonde C es una constante.

LeyStefan Boltzmann. La emisividad del cuerpo negro, es decir potencia de radiación total por unidad área, proporcional a la cuarta potencia de la temperatura: R= σT 4, donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann.

En la teoría de la radiación térmica, a menudo se utiliza un modelo idealizado de cuerpos reales: el concepto de "cuerpo gris". Un cuerpo se llama "gris" si su coeficiente de absorción es el mismo para todas las frecuencias y depende únicamente de la temperatura del material y del estado de su superficie. En realidad, un cuerpo físico real, por sus características, se acerca al cuerpo gris sólo en un estrecho rango de frecuencias de radiación.

Ley de radiación térmica de Kirchhoff. La relación entre la densidad espectral de la luminosidad energética de un cuerpo y su coeficiente de absorción monocromática no depende del material del cuerpo (es decir, es la misma para todos los cuerpos) y es igual a la densidad espectral de la luminosidad energética de un absolutamente cuerpo negro. Este valor es función únicamente de la temperatura y la frecuencia de radiación.

Consecuencias de la ley de Kirchhoff.

Dado que el coeficiente de absorción de cualquier cuerpo es menor que la unidad, la emisividad de cualquier cuerpo para una frecuencia de radiación determinada es menor que la de un cuerpo negro. En otras palabras, un cuerpo negro a cualquier temperatura y frecuencia de radiación es la fuente de radiación más intensa.

Si un cuerpo no absorbe radiación en ninguna región del espectro, entonces no irradia en esa región del espectro.

Para una temperatura determinada, aquellos cuerpos grises que tienen un mayor coeficiente de absorción emiten con mayor fuerza.

Y intensidad de la radiación de una superficie calentada o a través de un orificio en el horno se puede determinar mediante la fórmula (a L ≥F 0,5)

E =0,91F((T/1000)4-A)/L2

donde E es la intensidad de irradiación, W/m2; F - superficie radiante, m2; l es la distancia desde el centro de la superficie radiante al objeto irradiado, m; A = 85 - para piel humana y tejidos de algodón; A = 100 - coeficiente constante para tela.