Vyhrievané telesá vyžarujú elektromagnetické vlny. Toto žiarenie sa uskutočňuje premenou energie tepelného pohybu častíc tela na energiu žiarenia.

Prevostovo pravidlo: Ak dve telesá pri rovnakej teplote absorbujú rôzne množstvá energie, potom ich tepelné vyžarovanie pri tejto teplote musí byť odlišné.

Radiačný(emisivita) alebo spektrálna hustota svetelnej energie telesa je hodnota E n, T, číselne rovná hustote plošného výkonu tepelného žiarenia telesa vo frekvenčnom rozsahu jednotkovej šírky:

Е n ,Т = dW/dn, W – výkon tepelného žiarenia.

Emisivita telesa závisí od frekvencie n, absolútnej teploty telesa T, materiálu, tvaru a stavu povrchu. V sústave SI sa En, T meria v J/m2.

Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje stupeň zahriatia telesa. Absolútna nula je –273,15 °C. Teplota v Kelvinoch TK = t°C + 273,15°C.

Absorpčný Schopnosť telesa je veličina A n, T, ktorá ukazuje, aký podiel dopadajúcej (získanej) energie telo absorbuje:

A n,T = W absorpcia / W pokles, .

A n,T je bezrozmerná veličina. Závisí od n, T, od tvaru telesa, materiálu a stavu povrchu.

Predstavme si koncept - absolútne čierne telo (a.b.t.). Teleso sa nazýva a.ch.t, ak pri akejkoľvek teplote absorbuje všetky naň dopadajúce elektromagnetické vlny, teda teleso, pre ktoré A n , T º 1. Uvedomte si a.ch.t. môže byť vo forme dutiny s malým otvorom, ktorej priemer je oveľa menší ako priemer dutiny (obr. 3). Elektromagnetické žiarenie vstupujúce cez otvor do dutiny, v dôsledku mnohonásobných odrazov od vnútorného povrchu dutiny, je ňou takmer úplne absorbované, bez ohľadu na to, z akého materiálu sú steny dutiny vyrobené. Skutočné telá nie sú úplne čierne. Niektoré z nich sú však svojimi optickými vlastnosťami blízke a.ch.t. (sadze, platinová čierna, čierny zamat). Teleso sa nazýva šedé, ak je jeho absorpčná schopnosť rovnaká pre všetky frekvencie a závisí len od teploty, materiálu a stavu povrchu telesa.

Ryža. 3. Model absolútne čierneho telesa.

d-priemer vtoku, D-priemer dutiny a.ch.t.

Kirchhoffov zákon pre tepelné žiarenie. Pre ľubovoľnú frekvenciu a teplotu je pomer emisivity telesa k jeho pohltivosti rovnaký pre všetky telesá a rovná sa emisivite e n, T čierneho telesa, ktorá je len funkciou frekvencie a teploty.

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

Z Kirchhoffovho zákona vyplýva, že ak teleso pri danej teplote T neabsorbuje žiarenie v určitom frekvenčnom rozsahu (A n, T = 0), potom nemôže pri tejto teplote v rovnakom frekvenčnom rozsahu vyžarovať rovnovážny stav. Absorpčná kapacita telies sa môže meniť od 0 do 1. Nepriehľadné telesá, ktorých stupeň emisivity je 0, nevyžarujú ani neabsorbujú elektromagnetické vlny. Úplne odrážajú žiarenie, ktoré na ne dopadá. Ak dôjde k odrazu v súlade so zákonmi geometrickej optiky, potom sa telo nazýva zrkadlo.

Nazýva sa tepelný žiarič, ktorého spektrálna emisivita nezávisí od vlnovej dĺžky neselektívne, ak záleží - selektívne.

Klasická fyzika nedokázala teoreticky vysvetliť podobu funkcie emisivity a.ch.t. e n , T, merané experimentálne. Podľa klasickej fyziky sa energia akéhokoľvek systému mení nepretržite, t.j. môže nadobúdať ľubovoľne blízke hodnoty. V oblasti vysokých frekvencií sa e n ,T monotónne zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou („ultrafialová katastrofa“). V roku 1900 M. Planck navrhol vzorec pre emisivitu a.h.t.:

,

,

podľa ktorého by emisia a absorpcia energie časticami vyžarujúceho telesa nemala prebiehať nepretržite, ale diskrétne, v oddelených častiach, kvantách, ktorých energia

Integráciou Planckovho vzorca cez frekvencie získame objemovú hustotu žiarenia AC, Stefan-Boltzmannov zákon:

e T = sT 4,

kde s je Stefanova-Boltzmannova konštanta rovná 5,67 × 10-8 W × m-2 × K-4.

Integrálna emisivita čierneho telesa je úmerná štvrtej mocnine jeho absolútnej teploty. Pri nízkych frekvenciách e n je T úmerné súčinu n 2 T a v oblasti vysokých frekvencií e n je T úmerné n 3 exp(-an/T), kde a je nejaká konštanta.

Maximálnu hustotu spektrálneho žiarenia možno nájsť aj z Planckovho vzorca – Wienov zákon: frekvencia zodpovedajúca maximálnej hodnote emisivity čierneho telesa je úmerná jeho absolútnej teplote. Vlnová dĺžka lmax zodpovedajúca maximálnej hodnote emisivity sa rovná

l max = b/T,

kde b je Wienova konštanta rovná 0,002898 m×K.

Hodnoty l max a n max nesúvisia podľa vzorca l = c/n, pretože maximá e n,T a e l,T sa nachádzajú v rôznych častiach spektra.

Rozloženie energie v spektre žiarenia absolútne čierneho telesa pri rôznych teplotách má tvar znázornený na obr. 4. Krivky pri T = 6000 a 300 K charakterizujú žiarenie Slnka a človeka. Pri dostatočne vysokých teplotách (T>2500 K) spadá časť spektra tepelného žiarenia do viditeľnej oblasti.

Ryža. 4. Spektrálne charakteristiky vyhrievaných telies.

Optoelektronika študuje žiarivé toky pochádzajúce z predmetov. Zo zdroja je potrebné zozbierať dostatočné množstvo vyžarujúcej energie, preniesť ju do prijímača a zvýrazniť užitočný signál na pozadí rušenia a šumu. Rozlišovať aktívny A pasívny spôsob prevádzky zariadenia. Metóda sa považuje za aktívnu, ak existuje zdroj žiarenia a žiarenie sa musí prenášať do prijímača. Pasívny spôsob prevádzky zariadenia, kedy nie je k dispozícii žiadny špeciálny zdroj a využíva sa vlastné žiarenie objektu. Na obr. Obrázok 5 zobrazuje blokové schémy oboch metód.

Ryža. 5. Aktívne (a) a pasívne (b) spôsoby prevádzky zariadenia.

Na zaostrenie tokov žiarenia sa používajú rôzne optické schémy. Pripomeňme si základné zákony optiky:

1. Zákon priamočiareho šírenia svetla.

2. Zákon nezávislosti svetelných lúčov.

3. Zákon odrazu svetla.

4. Zákon lomu svetla.

Absorpcia svetla v látke sa určuje ako

I = I 0 exp(-ad),

kde I 0 a I sú intenzity svetelnej vlny na vstupe do vrstvy absorbujúcej látky hrúbky d a na výstupe z nej, a je koeficient absorpcie svetla látkou (Bouguer-Lambertov zákon).

V rôznych typoch zariadení používaných v optoelektronike sa zaostruje žiarenie prichádzajúce z objektu alebo zdroja; modulácia žiarenia; rozklad žiarenia na spektrum disperznými prvkami (hranol, mriežka, filtre); skenovanie spektra; so zameraním na prijímač žiarenia. Ďalej sa signál prenesie do prijímacieho elektronického zariadenia, signál sa spracuje a informácie sa zaznamenajú.

V súčasnosti sa v súvislosti s riešením množstva problémov pri detekcii objektov vo veľkej miere rozvíja pulzná fotometria.

Kapitola 2. Zdroje žiarenia v optickej oblasti.

Zdroje žiarenia sú všetky objekty, ktoré majú teplotu odlišnú od teploty pozadia. Objekty môžu odrážať žiarenie, ktoré na ne dopadá, napríklad slnečné žiarenie. Maximálne žiarenie zo Slnka je 0,5 mikrónu. Medzi zdroje žiarenia patria priemyselné budovy, autá, ľudské telo, zvieracie telo atď. Najjednoduchším klasickým modelom žiariča je elektrón oscilujúci okolo rovnovážnej polohy podľa harmonického zákona.

K prirodzenému Medzi zdroje žiarenia patrí Slnko, Mesiac, Zem, hviezdy, oblaky atď.

Na umelé Medzi zdroje žiarenia patria zdroje, ktorých parametre je možné kontrolovať. Takéto zdroje sa používajú v iluminátoroch pre optoelektronické zariadenia, v prístrojoch na vedecký výskum atď.

K emisii svetla dochádza v dôsledku prechodov atómov a molekúl zo stavov s vyššou energiou do stavov s nižšou energiou. Žiara je spôsobená buď zrážkami medzi atómami, ktoré prechádzajú tepelným pohybom, alebo nárazmi elektrónov.

Čo je teda tepelné žiarenie?

Tepelné žiarenie je elektromagnetické žiarenie, ktoré vzniká v dôsledku energie rotačného a vibračného pohybu atómov a molekúl v látke. Tepelné žiarenie je charakteristické pre všetky telesá, ktoré majú teplotu nad absolútnou nulou.

Tepelné žiarenie ľudského tela patrí do infračervenej oblasti elektromagnetických vĺn. Takéto žiarenie prvýkrát objavil anglický astronóm William Herschel. V roku 1865 anglický fyzik J. Maxwell dokázal, že infračervené žiarenie je elektromagnetického charakteru a pozostáva z vĺn s dĺžkou 760 nm až 1-2 mm. Najčastejšie je celý rozsah IR žiarenia rozdelený na oblasti: blízke (750 nm-2.500nm), priemer (2 500 nm - 50.000nm) a na veľké vzdialenosti (50 000 nm-2.000.000nm).

Uvažujme prípad, keď sa teleso A nachádza v dutine B, ktorá je ohraničená ideálnym reflexným (žiarením nepreniknuteľným) plášťom C (obr. 1). V dôsledku viacnásobného odrazu od vnútorného povrchu škrupiny sa žiarenie uloží do dutiny zrkadla a čiastočne ho pohltí teleso A. Za takýchto podmienok dutina systému B - teleso A nestratí energiu, ale len je nepretržitá výmena energie medzi telesom A a žiarením, ktoré vypĺňa dutinu B.

Obr.1. Viacnásobný odraz tepelných vĺn od zrkadlových stien dutiny B

Ak rozdelenie energie zostane nezmenené pre každú vlnovú dĺžku, potom bude stav takéhoto systému rovnovážny a rovnovážne bude aj žiarenie. Jediným druhom rovnovážneho žiarenia je tepelné. Ak sa z nejakého dôvodu posunie rovnováha medzi žiarením a telom, potom začnú prebiehať termodynamické procesy, ktoré vrátia systém do rovnovážneho stavu. Ak teleso A začne viac vyžarovať ako absorbovať, potom telo začne strácať vnútornú energiu a telesná teplota (ako miera vnútornej energie) začne klesať, čím sa zníži množstvo vyžarovanej energie. Teplota tela bude klesať, kým sa množstvo vyžarovanej energie nebude rovnať množstvu energie absorbovanej telom. Nastane teda rovnovážny stav.

Rovnovážne tepelné žiarenie má tieto vlastnosti: homogénne (rovnaká hustota energetického toku vo všetkých bodoch dutiny), izotropné (možné smery šírenia sú rovnako pravdepodobné), nepolarizované (smery a hodnoty vektorov intenzity elektrického a magnetického poľa vo všetkých bodoch dutiny sa chaoticky menia).

Hlavné kvantitatívne charakteristiky tepelného žiarenia sú:

- energetická svietivosť je množstvo energie elektromagnetického žiarenia v celom rozsahu vlnových dĺžok tepelného žiarenia, ktoré je vyžarované telesom vo všetkých smeroch z jednotky povrchu za jednotku času: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Svietivosť energie závisí od povahy telesa, teploty telesa, stavu povrchu telesa a vlnovej dĺžky žiarenia.

- spektrálna hustota svietivosti - energetická svietivosť telesa pre dané vlnové dĺžky (λ + dλ) pri danej teplote (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

Energetická svietivosť telesa v rámci určitých vlnových dĺžok sa vypočíta integráciou R λ,T = f(λ, T) pre T = konštanta:

- absorpčný koeficient - pomer energie absorbovanej telom k energii dopadajúcej. Ak teda žiarenie z toku dФ inc dopadá na teleso, potom sa jeho jedna časť odráža od povrchu telesa - dФ neg, druhá časť prechádza do telesa a čiastočne sa mení na teplo dФ abs a tretia časť , po niekoľkých vnútorných odrazoch prechádza cez teleso smerom von dФ inc : α = dФ abs./dФ dole.

Absorpčný koeficient α závisí od charakteru absorbujúceho telesa, vlnovej dĺžky absorbovaného žiarenia, teploty a stavu povrchu telesa.

- monochromatický absorpčný koeficient- absorpčný koeficient tepelného žiarenia danej vlnovej dĺžky pri danej teplote: α λ,T = f(λ,T)

Medzi telesami sú telesá, ktoré dokážu absorbovať všetko tepelné žiarenie akejkoľvek vlnovej dĺžky, ktorá na ne dopadá. Takéto ideálne pohlcujúce telesá sa nazývajú úplne čierne telá. Pre nich α = 1.

Existujú aj sivé telesá, pre ktoré α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Model s čiernym telom je malá dutina s žiaruvzdorným plášťom. Priemer otvoru nie je väčší ako 0,1 priemeru dutiny. Pri konštantnej teplote sa z otvoru vyžaruje určitá energia zodpovedajúca energetickej svietivosti úplne čierneho telesa. Ale čierna diera je idealizácia. Ale zákony tepelného žiarenia čierneho telesa pomáhajú priblížiť sa k skutočným vzorom.

2. Zákony tepelného žiarenia

1. Kirchhoffov zákon. Tepelné žiarenie je rovnovážne – množstvo energie vyžarovanej telesom je to, koľko ju pohltí. Pre tri telesá nachádzajúce sa v uzavretej dutine môžeme písať:

Uvedený vzťah bude tiež pravdivý, keď jedno z telies je AC:

Pretože pre čierne teleso α λT .
Toto je Kirchhoffov zákon: pomer spektrálnej hustoty energetickej svietivosti telesa k jeho monochromatickému absorpčnému koeficientu (pri určitej teplote a pre určitú vlnovú dĺžku) nezávisí od povahy telesa a je pre všetky telesá rovnaký. spektrálna hustota energetickej svietivosti pri rovnakej teplote a vlnovej dĺžke.

Dôsledky Kirchhoffovho zákona:
1. Spektrálna energetická svietivosť čierneho telesa je univerzálnou funkciou vlnovej dĺžky a telesnej teploty.
2. Spektrálna energetická svietivosť čierneho telesa je najväčšia.
3. Svietivosť spektrálnej energie ľubovoľného telesa sa rovná súčinu jeho absorpčného koeficientu a svietivosti spektrálnej energie absolútne čierneho telesa.
4. Každé teleso pri danej teplote vyžaruje vlny rovnakej vlnovej dĺžky, akú vyžaruje pri danej teplote.

Systematické štúdium spektier množstva prvkov umožnilo Kirchhoffovi a Bunsenovi stanoviť jednoznačnú súvislosť medzi absorpčnými a emisnými spektrami plynov a individualitou zodpovedajúcich atómov. Tak to bolo navrhnuté spektrálna analýza, pomocou ktorého môžete identifikovať látky, ktorých koncentrácia je 0,1 nm.

Rozloženie spektrálnej hustoty svetelnej energie pre absolútne čierne teleso, sivé teleso, ľubovoľné teleso. Posledná krivka má niekoľko maxím a miním, čo udáva selektivitu emisie a absorpcie takýchto telies.

2. Stefanov-Boltzmannov zákon.
V roku 1879 rakúski vedci Joseph Stefan (experimentálne pre ľubovoľné teleso) a Ludwig Boltzmann (teoreticky pre čierne teleso) zistili, že celková energetická svietivosť v celom rozsahu vlnových dĺžok je úmerná štvrtej mocnine absolútnej teploty telesa:

3. Vínny zákon.
Nemecký fyzik Wilhelm Wien v roku 1893 sformuloval zákon, ktorý určuje polohu maximálnej spektrálnej hustoty svetelnej energie telesa v spektre žiarenia čierneho telesa v závislosti od teploty. Podľa zákona je vlnová dĺžka λ max, ktorá zodpovedá maximálnej spektrálnej hustote svetelnej energie čierneho telesa, nepriamo úmerná jeho absolútnej teplote T: λ max = В/t, kde В = 2,9*10 -3 m·K je Wienova konštanta.

S rastúcou teplotou sa teda mení nielen celková energia žiarenia, ale aj samotný tvar krivky rozloženia spektrálnej hustoty svietivosti energie. S rastúcou teplotou sa maximálna spektrálna hustota posúva smerom ku kratším vlnovým dĺžkam. Preto sa Wienov zákon nazýva zákon posunutia.

Platí vinársky zákon v optickej pyrometrii- metóda určovania teploty zo spektra žiarenia vysoko zahriatych telies, ktoré sú vzdialené od pozorovateľa. Práve táto metóda ako prvá určila teplotu Slnka (pre 470 nm T = 6160 K).

Predložené zákony nám neumožnili teoreticky nájsť rovnice rozloženia spektrálnej hustoty energetickej svietivosti na vlnových dĺžkach. Práce Rayleigha a Jeansa, v ktorých vedci skúmali spektrálne zloženie žiarenia čierneho telesa na základe zákonov klasickej fyziky, viedli k zásadným ťažkostiam nazývaným ultrafialová katastrofa. V oblasti UV vĺn mala energetická svietivosť čierneho telesa dosiahnuť nekonečno, hoci pri pokusoch klesla na nulu. Tieto výsledky sú v rozpore so zákonom zachovania energie.

4. Planckova teória. Nemecký vedec v roku 1900 predložil hypotézu, že telesá nevyžarujú nepretržite, ale v oddelených častiach - kvantách. Kvantová energia je úmerná frekvencii žiarenia: E = hν = h·c/λ, kde h = 6,63*10 -34 J·s Planckova konštanta.

Vedený predstavami o kvantovom žiarení čierneho telesa, získal rovnicu pre spektrálnu hustotu svetelnej energie čierneho telesa:

Tento vzorec je v súlade s experimentálnymi údajmi v celom rozsahu vlnových dĺžok pri všetkých teplotách.

Slnko je hlavným zdrojom tepelného žiarenia v prírode. Slnečné žiarenie zaberá široký rozsah vlnových dĺžok: od 0,1 nm do 10 m alebo viac. 99% slnečnej energie sa vyskytuje v rozmedzí od 280 do 6000 nm. Na jednotku plochy zemského povrchu je v horách od 800 do 1000 W/m2. Jedna dvojmiliardtina tepla sa dostáva na zemský povrch – 9,23 J/cm2. Pre rozsah tepelného žiarenia od 6000 do 500000 nm tvorí 0,4 % slnečnej energie. V zemskej atmosfére je väčšina infračerveného žiarenia absorbovaná molekulami vody, kyslíka, dusíka a oxidu uhličitého. Rádiový dosah je tiež väčšinou absorbovaný atmosférou.

Množstvo energie, ktorú slnečné lúče prinesú za 1 s na plochu 1 m2, ktorá sa nachádza mimo zemskej atmosféry v nadmorskej výške 82 km kolmo na slnečné lúče, sa nazýva slnečná konštanta. Rovná sa 1,4 * 10 3 W/m2.

Spektrálne rozloženie normálnej hustoty toku slnečného žiarenia sa zhoduje s rozdelením pre čierne teleso pri teplote 6000 stupňov. Preto je Slnko vzhľadom na tepelné žiarenie čierne teleso.

3. Žiarenie z reálnych telies a ľudského tela

Pri prenose tepla zohráva veľkú úlohu tepelné žiarenie z povrchu ľudského tela. Existujú také spôsoby prenosu tepla: tepelná vodivosť (kondukcia), konvekcia, žiarenie, odparovanie. V závislosti od podmienok, v ktorých sa človek nachádza, môže mať každá z týchto metód dominantnú úlohu (napríklad pri veľmi vysokých teplotách prostredia má vedúcu úlohu vyparovanie a v studenej vode vedenie a teplota vody 15 stupňa je pre nahého človeka smrteľným prostredím a po 2-4 hodinách nastáva mdloba a smrť v dôsledku podchladenia mozgu). Podiel sálania na celkovom prestupe tepla sa môže pohybovať od 75 do 25 %. Za normálnych podmienok asi 50% vo fyziologickom pokoji.

Tepelné žiarenie, ktoré zohráva úlohu v živote živých organizmov, sa delí na krátke vlnové dĺžky (od 0,3 do 3 µm) a dlhé vlnové dĺžky (od 5 do 100 um). Zdrojom krátkovlnného žiarenia je Slnko a otvorený plameň a výlučne príjemcom takéhoto žiarenia sú živé organizmy. Živé organizmy vyžarujú aj pohlcujú dlhovlnné žiarenie.

Hodnota koeficientu absorpcie závisí od pomeru teplôt média a tela, oblasti ich vzájomného pôsobenia, orientácie týchto oblastí a pre krátkovlnné žiarenie - od farby povrchu. U černochov sa teda odráža len 18 % krátkovlnného žiarenia, kým u ľudí bielej rasy je to asi 40 % (s najväčšou pravdepodobnosťou farba pleti černochov v evolúcii nemala nič spoločné s prenosom tepla). Pre dlhovlnné žiarenie je koeficient absorpcie blízky 1.

Výpočet prestupu tepla sálaním je veľmi náročná úloha. Stefanov-Boltzmannov zákon nemožno použiť pre reálne telesá, pretože majú zložitejšiu závislosť energetickej svietivosti od teploty. Ukazuje sa, že závisí od teploty, povahy telesa, tvaru telesa a stavu jeho povrchu. So zmenou teploty sa mení koeficient σ a teplotný exponent. Povrch ľudského tela má zložitú konfiguráciu, človek nosí oblečenie, ktoré mení vyžarovanie, a proces je ovplyvnený postojom, v ktorom sa človek nachádza.

Pre sivé teleso je výkon žiarenia v celom rozsahu určený vzorcom: P = α d.t. σ·T 4 ·S Vzhľadom na to, že s určitými aproximáciami sú reálne telesá (ľudská koža, odevné látky) blízke sivým telesám, môžeme nájsť vzorec na výpočet sily žiarenia skutočných telies pri určitej teplote: P = α· σ·T 4 ·S Pri rôznych podmienkach teploty vyžarujúceho telesa a prostredia: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Existujú znaky spektrálnej hustoty svetelnej energie skutočných telies: pri 310 TO, čo zodpovedá priemernej teplote ľudského tela, maximum tepelného žiarenia nastáva pri 9700 nm. Akákoľvek zmena telesnej teploty vedie k zmene sily tepelného žiarenia z povrchu tela (stačí 0,1 stupňa). Preto štúdium kožných oblastí spojených cez centrálny nervový systém s určitými orgánmi pomáha identifikovať choroby, v dôsledku ktorých sa teplota dosť výrazne mení ( termografia zón Zakharyin-Ged).

Zaujímavá metóda bezkontaktnej masáže s ľudským biopoľom (Juna Davitashvili). Výkon tepelného žiarenia dlane 0,1 W a tepelná citlivosť pokožky je 0,0001 W/cm2. Ak pôsobíte na vyššie uvedené zóny, môžete reflexne stimulovať prácu týchto orgánov.

4. Biologické a terapeutické účinky tepla a chladu

Ľudské telo neustále vyžaruje a pohlcuje tepelné žiarenie. Tento proces závisí od teploty ľudského tela a prostredia. Maximálne infračervené žiarenie ľudského tela je pri 9300 nm.

Pri malých a stredných dávkach IR ožiarenia sa zosilňujú metabolické procesy a urýchľujú sa enzymatické reakcie, regeneračné a reparačné procesy.

Pôsobením infračervených lúčov a viditeľného žiarenia vznikajú v tkanivách biologicky aktívne látky (bradykinín, kalidín, histamín, acetylcholín, hlavne vazomotorické látky, ktoré sa podieľajú na realizácii a regulácii lokálneho prekrvenia).

V dôsledku pôsobenia infračervených lúčov sa aktivujú termoreceptory v koži, z ktorých sa informácie posielajú do hypotalamu, v dôsledku čoho sa rozširujú krvné cievy kože, zvyšuje sa objem krvi, ktorá v nich cirkuluje, a potenie. zvyšuje.

Hĺbka prieniku infračervených lúčov závisí od vlnovej dĺžky, vlhkosti pokožky, jej naplnenia krvou, stupňa pigmentácie atď.

Pod vplyvom infračervených lúčov sa na koži človeka objavuje červený erytém.

V klinickej praxi sa používa na ovplyvnenie lokálnej a celkovej hemodynamiky, zvýšenie potenia, uvoľnenie svalov, zníženie bolesti, urýchlenie resorpcie hematómov, infiltrátov atď.

V podmienkach hypertermie sa zvyšuje protinádorový účinok rádioterapie – termorádioterapie.

Hlavné indikácie pre použitie IR terapie: akútne nehnisavé zápalové procesy, popáleniny a omrzliny, chronické zápalové procesy, vredy, kontraktúry, zrasty, poranenia kĺbov, väzov a svalov, myozitída, myalgia, neuralgia. Hlavné kontraindikácie: nádory, hnisavé zápaly, krvácanie, obehové zlyhanie.

Chlad sa používa na zastavenie krvácania, zmiernenie bolesti a liečbu niektorých kožných ochorení. Otužovanie vedie k dlhovekosti.

Pod vplyvom chladu sa znižuje srdcová frekvencia, krvný tlak a sú brzdené reflexné reakcie.

V určitých dávkach chlad stimuluje hojenie popálenín, hnisavých rán, trofických vredov, erózií a konjunktivitídy.

Kryobiológia- študuje procesy, ktoré sa vyskytujú v bunkách, tkanivách, orgánoch a tele pod vplyvom nízkych, nefyziologických teplôt.

Používa sa v medicíne kryoterapia A hypertermia. Kryoterapia zahŕňa metódy založené na dávkovom chladení tkanív a orgánov. Kryochirurgia (súčasť kryoterapie) využíva lokálne zmrazenie tkanív za účelom ich odstránenia (časť mandlí. Ak všetky - kryotonzilektómia. Nádory možno odstrániť napr. koža, krčok maternice a pod.) Kryoextrakcia na báze kryoadhézie (zlepenie mokré telá na zamrznutý skalpel ) - oddelenie časti od orgánu.

Pri hypertermii je možné po určitú dobu zachovať funkcie orgánov in vivo. Podchladenie pomocou anestézie sa používa na zachovanie funkcie orgánov pri nedostatku krvi, pretože metabolizmus tkanív sa spomaľuje. Tkanivá sa stávajú odolnými voči hypoxii. Používa sa anestézia za studena.

Účinok tepla sa uskutočňuje pomocou žiaroviek (Minin lampa, Solux, svetelný termálny kúpeľ, IR lampa) s použitím fyzikálnych médií, ktoré majú vysokú tepelnú kapacitu, zlú tepelnú vodivosť a dobrú schopnosť zadržiavať teplo: bahno, parafín, ozokerit, naftalén atď.

5. Fyzikálne základy termografie

Termografia alebo termovízia je funkčná diagnostická metóda založená na zaznamenávaní infračerveného žiarenia z ľudského tela.

Existujú 2 typy termografie:

- kontaktná cholesterická termografia: Metóda využíva optické vlastnosti cholesterických tekutých kryštálov (viaczložkové zmesi esterov a iných derivátov cholesterolu). Takéto látky selektívne odrážajú rôzne vlnové dĺžky, čo umožňuje získať obrazy tepelného poľa povrchu ľudského tela na filmoch týchto látok. Na film je nasmerovaný prúd bieleho svetla. Rôzne vlnové dĺžky sa od filmu odrážajú odlišne v závislosti od teploty povrchu, na ktorý je cholesterikum nanesené.

Cholesteriká môžu vplyvom teploty zmeniť farbu z červenej na fialovú. V dôsledku toho sa vytvorí farebný obraz tepelného poľa ľudského tela, ktorý sa dá ľahko dešifrovať, pričom poznáme vzťah medzi teplotou a farbou. Existujú cholesteriká, ktoré umožňujú zaznamenať teplotný rozdiel 0,1 stupňa. Tak je možné určiť hranice zápalového procesu, ohniská zápalovej infiltrácie v rôznych štádiách jeho vývoja.

V onkológii termografia umožňuje identifikovať metastatické uzliny s priemerom 1,5-2 mm v mliečnej žľaze, koži, štítnej žľaze; v ortopédii a traumatológii posúdiť prekrvenie každého segmentu končatiny, napríklad pred amputáciou, predvídať hĺbku popálenia atď.; v kardiológii a angiológii identifikovať poruchy normálneho fungovania kardiovaskulárneho systému, poruchy krvného obehu v dôsledku ochorenia z vibrácií, zápalu a upchatia krvných ciev; kŕčové žily atď.; v neurochirurgii určiť lokalizáciu lézií nervového vedenia, potvrdiť lokalizáciu neuroparalýzy spôsobenej apoplexiou; v pôrodníctve a gynekológii určiť tehotenstvo, lokalizáciu miesta dieťaťa; diagnostikovať širokú škálu zápalových procesov.

- Teletermografia - je založená na premene infračerveného žiarenia z ľudského tela na elektrické signály, ktoré sa zaznamenávajú na obrazovku termokamery alebo iného záznamového zariadenia. Metóda je bezkontaktná.

IR žiarenie je vnímané sústavou zrkadiel, po ktorých sú IR lúče nasmerované do IR vlnového prijímača, ktorého hlavnou časťou je detektor (fotorezistor, kovový alebo polovodičový bolometer, termočlánok, fotochemický indikátor, elektrón-optický konvertor, piezoelektrický detektory atď.).

Elektrické signály z prijímača sú prenášané do zosilňovača a následne do riadiaceho zariadenia, ktoré slúži na pohyb zrkadiel (skenovanie objektu), ohrev bodového svetelného zdroja TIS (úmerné tepelnému žiareniu) a pohyb fotografického filmu. Zakaždým, keď sa film osvetlí pomocou TIS podľa telesnej teploty v mieste štúdie.

Po riadiacom zariadení môže byť signál prenesený do počítačového systému s displejom. To vám umožňuje ukladať termogramy a spracovávať ich pomocou analytických programov. Ďalšie možnosti poskytujú farebné termokamery (farby podobné teplote sú označené kontrastnými farbami) a možno kresliť izotermy.

Mnohé spoločnosti si v poslednom čase uvedomili, že „osloviť“ potenciálneho klienta je niekedy dosť ťažké, ich informačné pole je tak nabité rôznymi druhmi reklamných správ, že ich jednoducho prestanú vnímať.
Aktívny predaj cez telefón sa stáva jedným z najefektívnejších spôsobov zvýšenia predaja v krátkom čase. Cold call je zameraný na prilákanie zákazníkov, ktorí sa predtým neuchádzali o produkt alebo službu, ale pre množstvo faktorov sú potenciálnymi zákazníkmi. Po vytočení telefónneho čísla musí aktívny manažér predaja jasne pochopiť účel studeného hovoru. Veď telefonické rozhovory vyžadujú od obchodného manažéra špeciálnu zručnosť a trpezlivosť, ako aj znalosť vyjednávacích techník a techník.

Prechodom žiarenia telesa cez zariadenie, ktoré ho rozkladá na spektrum, možno posúdiť prítomnosť vĺn tej či onej dĺžky v žiarení, ako aj vyhodnotiť rozloženie energie v častiach spektra. Takéto spektrá sa nazývajú emisné spektrá. Ukazuje sa, že pary a plyny (najmä monatomické) pri zahrievaní alebo pri elektrickom výboji dávajú (pri nízkych tlakoch, keď je interakcia atómov prakticky nepostrehnuteľná) čiarové spektrá pozostávajúce z relatívne úzkych „čiar“, t. j. úzkych frekvenčných intervalov. , kde je značná intenzita žiarenia. Vodík teda vytvára päť čiar vo viditeľnej časti spektra, sodík - jednu (žltú) čiaru. Pri použití spektrálneho zariadenia s vysokým rozlíšením sa v množstve riadkov odhalí zložitá štruktúra. So zvyšujúcim sa tlakom, keď je ovplyvnená vzájomná interakcia atómov, ako aj so zložitou štruktúrou molekúl, sa získavajú širšie čiary, ktoré sa menia na celé relatívne široké pásy komplexnej štruktúry (pásikové spektrá). Takéto pruhované spektrá sú pozorované najmä v kvapalinách. Nakoniec, keď sa pevné látky zahrejú, poskytujú takmer nepretržité spektrá, ale rozloženie intenzity v celom spektre je pre rôzne telesá odlišné.

Spektrálne zloženie žiarenia závisí aj od teploty telies. Čím vyššia je teplota, tým viac (za rovnakých okolností) prevládajú vyššie frekvencie. Keď sa teda zvyšuje teplota vlákna žiarovky a mení sa prúd, ktorý ňou preteká, mení sa farba špirály: vlákno najskôr slabo žiari červeným svetlom, potom sa viditeľné žiarenie stáva intenzívnejším a má krátku vlnovú dĺžku - prevláda žltozelená časť spektra. Ako však bude zrejmé neskôr, v tomto prípade väčšina vyžarovanej energie zodpovedá neviditeľnému infračervenému rozsahu.

Ak cez vrstvu hmoty prechádza žiarenie so spojitým spektrom, dochádza k čiastočnej absorpcii, ktorej výsledkom sú čiary s minimálnou intenzitou v spojitom spektre žiarenia. Vo viditeľnej časti spektra sa javia kontrastne ako tmavé pruhy (alebo čiary); takéto spektrá sa nazývajú absorpčné spektrá. Slnečné spektrum, prerezané systémom tenkých tmavých čiar (Fraunhoferove čiary), je teda absorpčným spektrom; vyskytuje sa v atmosfére Slnka.

Štúdium spektier ukazuje, že so zmenou telesnej teploty sa mení nielen emisia svetla, ale aj jeho absorpcia. Zároveň sa zistilo, že dobre vyžarujúce telesá majú aj väčšiu absorpciu (Prevost) a absorbované frekvencie sa zhodujú s vyžarovanými (Kirchhoff). Nezohľadňujú sa tu javy spojené s frekvenčnou konverziou (luminiscencia, Comptonov efekt, Ramanov rozptyl), ktoré zvyčajne hrajú vedľajšiu úlohu.

Zvlášť zaujímavé pre fyzikov 19. storočia. spôsobovalo žiarenie zo zahriatych telies. Faktom je, že pri elektrickom výboji, pri niektorých chemických reakciách (chemiluminiscencia), pri bežnej luminiscencii je potrebný nepretržitý výdaj energie, v dôsledku čoho vzniká žiarenie, t.j. proces je nerovnovážny.

Žiarenie ohriateho telesa za určitých podmienok môže byť v rovnováhe, pretože vyžarovaná energia môže byť absorbovaná. V 19. storočí termodynamika bola vyvinutá len pre rovnovážne procesy; preto sa dalo len dúfať, že vytvoríme teóriu žiarenia zo zahriateho telesa.

Predstavme si teda teleso, ktoré má vo vnútri dutinu so zrkadlovými stenami (t. j. úplne odrážajúce žiarenie akejkoľvek frekvencie). Do tejto dutiny nech sú umiestnené dve ľubovoľné telesá, ktoré poskytujú spojité spektrum žiarenia; ich teplota môže byť spočiatku iná. Budú si vymieňať energiu žiarenia, kým sa nevytvorí rovnovážny stav: energia absorbovaná za jednotku času povrchovým prvkom každého telesa sa bude rovnať energii vyžarovanej tým istým prvkom. V tomto prípade bude celá dutina vyplnená žiarením rôznych frekvencií. Podľa ruského fyzika B.B. Golitsyna by tomuto žiareniu mala byť priradená rovnaká teplota, aká sa nastolí vo vyžarujúcich telesách po dosiahnutí rovnovážneho stavu.

Pre kvantitatívny popis uvádzame distribučnú funkciu e(ν, T), volal emisivita telá. Práca edν, Kde dν- nekonečne malý frekvenčný interval (blízka frekvencia ν), udáva energiu vyžiarenú jednotkovým povrchom telesa za jednotku času vo frekvenčnom intervale (ν, ν+ dν).

Ďalej si zavoláme absorpčná kapacita funkcia tela A(ν,T), určenie pomeru energie absorbovanej prvkom povrchu telesa k energii naň dopadajúcej obsiahnutej vo frekvenčnom intervale (v, ν + dν).

Rovnakým spôsobom sa dá určiť odrazivosťr(ν , T) ako pomer odrazenej energie vo frekvenčnom rozsahu (ν, v+dν) k energii dopadajúcej.

Idealizované zrkadlové steny majú odrazivosť rovnajúcu sa jednote v celom frekvenčnom rozsahu - od najmenších po ľubovoľne veľké.

Predpokladajme, že nastal rovnovážny stav, pričom prvé teleso vyžaruje energiu z každej jednotky povrchu za jednotku času

Ak žiarenie prichádza na tento jediný povrch z dutiny, opísanej funkciou Ɛ(v, T) dv, potom časť energie určená súčinom a 1 (v, T) Ɛ(v, T) dv, bude absorbovaný, zvyšok žiarenia sa odrazí. Súčasne je výkon vyžarovaný na jednotku povrchu druhého telesa e 2 (v, T) dv, a sa absorbuje a 2 (v, T)Ɛ(v, T) dv.

Z toho vyplýva, že pri rovnováhe je splnená podmienka:

Môže byť zastúpený vo forme

(11.1)

Tento záznam zdôrazňuje, že pomer emisivity akéhokoľvek telesa k jeho absorpčnej kapacite pri danej teplote v určitom úzkom frekvenčnom rozsahu je konštantná hodnota pre všetky telesá. Táto konštanta sa rovná emisivite tzv čierne telo(t.j. telesá s absorpčnou kapacitou rovnajúcou sa jednotke v celom mysliteľnom frekvenčnom rozsahu).

Ukázalo sa, že toto čierne telo je dutina, o ktorej uvažujeme. Ak teda urobíte v stene telesa s dutinou veľmi malý otvor, ktorý nijako nenaruší tepelnú rovnováhu, tak slabý tok žiarenia z tohto otvoru bude charakteristický pre žiarenie čierneho telesa. Zároveň je jasné, že žiarenie vstupujúce cez takýto otvor do dutiny má zanedbateľne malú pravdepodobnosť, že sa vráti von, t.j. dutina má úplnú absorpciu, ako by to malo byť u čierneho telesa. Dá sa ukázať, že naša úvaha zostáva platná aj pri výmene zrkadlových stien stenami s menšou odrazivosťou; namiesto dvoch telies si môžete vziať niekoľko alebo jedno, alebo jednoducho zvážiť žiarenie zo stien samotnej dutiny (ak nie sú zrkadlové). Zákon vyjadrený vzorcom (11.1) sa nazýva Kirchhoffov zákon. Z Kirchhoffovho zákona vyplýva, že ak funkcia Ɛ(v, T), charakterizujúce žiarenie čierneho telesa, potom by sa žiarenie akéhokoľvek iného telesa dalo určiť meraním jeho absorpčnej kapacity.

Všimnite si, že malá diera v stene napríklad muflovej pece pri izbovej teplote vyzerá ako čierna, pretože absorbovaním všetkého žiarenia vstupujúceho do dutiny dutina takmer nevyžaruje, pretože je studená. Keď sa však steny pece zahrejú, zdá sa, že otvor jasne žiari, pretože tok „čierneho“ žiarenia vychádzajúceho z neho pri vysokej teplote (900 K a viac) je dosť intenzívny. So stúpajúcou teplotou sa intenzita zvyšuje a spočiatku je červené žiarenie vnímané ako žlté a potom ako biele.

Ak je v dutine napríklad šálka z bieleho porcelánu s tmavým vzorom, potom vo vnútri horúcej pece nebude vzor viditeľný, pretože jeho vlastné žiarenie sa spolu s odrazeným zhoduje v zložení so žiarením. vyplnenie dutiny. Ak rýchlo vezmete šálku von do svetlej miestnosti, potom bude tmavý vzor žiariť jasnejšie ako biele pozadie. Po ochladení, keď sa vlastné vyžarovanie pohára mizne, svetlo vypĺňajúce miestnosť opäť vytvára tmavý vzor na bielom pozadí.

Zákony tepelného žiarenia. Sálavé teplo.

Pre niekoho to môže byť novinka, ale k prenosu teploty nedochádza len tepelnou vodivosťou prostredníctvom dotyku jedného telesa na druhé. Každé teleso (pevné, kvapalné a plynné) vyžaruje tepelné lúče určitej vlny. Tieto lúče, ktoré opúšťajú jedno telo, sú absorbované iným telom a prijímajú teplo. A pokúsim sa vám vysvetliť, ako sa to deje a koľko tepla týmto žiarením doma strácame. (Myslím, že mnohí budú mať záujem vidieť tieto čísla). Na konci článku vyriešime problém z reálneho príkladu.

Článok bude obsahovať trojposchodové vzorce a integrálne výrazy pre matematikov, ale nebojte sa ich, do týchto vzorcov sa ani nemusíte vŕtať. V úlohe vám dám vzorce, ktoré sa dajú vyriešiť jedným ťahom a nepotrebujete na to ani vyššiu matematiku, stačí poznať elementárnu aritmetiku.

Nie raz som sa o tom presvedčil, že pri sedení pri ohni (zvyčajne veľkom), mi tieto lúče spálili tvár. A ak som zakryl oheň dlaňami a ruky som mal natiahnuté, ukázalo sa, že moja tvár prestala horieť. Nie je ťažké uhádnuť, že tieto lúče sú rovné ako svetlo. Nepáli ma vzduch cirkulujúci okolo ohňa, ba ani vzduch, ale priame, neviditeľné tepelné lúče vychádzajúce z ohňa.

Vo vesmíre je medzi planétami zvyčajne vákuum a preto prenos teplôt prebieha výlučne tepelnými lúčmi (Všetky lúče sú elektromagnetické vlny).

Tepelné žiarenie má rovnakú povahu ako svetlo a elektromagnetické lúče (vlny). Jednoducho tieto vlny (lúče) majú rôzne vlnové dĺžky.

Napríklad vlnové dĺžky v rozsahu 0,76 - 50 mikrónov sa nazývajú infračervené. Všetky telesá pri izbovej teplote + 20 °C vyžarujú prevažne infračervené vlny s vlnovou dĺžkou blízkou 10 mikrónov.

Každé teleso, pokiaľ sa jeho teplota nelíši od absolútnej nuly (-273,15 °C), je schopné vysielať žiarenie do okolitého priestoru. Preto každé telo vyžaruje lúče na telá, ktoré ho obklopujú, a následne je ovplyvnené žiarením týchto telies.

Akýkoľvek nábytok v dome (stolička, stôl, steny a dokonca aj pohovka) vyžaruje tepelné lúče.

Tepelné žiarenie môže byť absorbované alebo prechádzať telom a môže sa tiež jednoducho odrážať od tela. Odraz tepelných lúčov je podobný odrazu svetelného lúča odrazeného od zrkadla. Absorpcia tepelného žiarenia je podobná, ako sa čierna strecha veľmi zahrieva od slnečných lúčov. A prenikanie alebo prechod lúčov je podobný, ako lúče prechádzajú sklom alebo vzduchom. Najbežnejším typom elektromagnetického žiarenia v prírode je tepelné žiarenie.

Veľmi blízke svojimi vlastnosťami čiernemu telesu takzvané reliktné žiarenie alebo kozmické mikrovlnné pozadie - žiarenie napĺňajúce vesmír s teplotou okolo 3 K.

Vo všeobecnosti je vo vede o tepelnom inžinierstve na vysvetlenie procesov tepelného žiarenia vhodné použiť koncept čierneho telesa na kvalitatívne vysvetlenie procesov tepelného žiarenia. Len čierne teleso môže nejakým spôsobom uľahčiť výpočty.

Ako je uvedené vyššie, každé telo je schopné:

Čierne telo- je to teleso, ktoré úplne absorbuje tepelnú energiu, to znamená, že neodráža lúče a neprechádza ním tepelné žiarenie. Ale nezabudnite, že čierne teleso vyžaruje tepelnú energiu.

Preto je také ľahké aplikovať výpočty na toto telo.

Aké ťažkosti vznikajú pri výpočtoch, ak teleso nie je čierne?

Teleso, ktoré nie je čierne, má nasledujúce faktory:

Tieto dva faktory komplikujú výpočet natoľko, že „mamička, neboj sa“. Je veľmi ťažké si to myslieť. Vedci však v skutočnosti nevysvetlili, ako vypočítať sivé telo. Mimochodom, sivé telo je telo, ktoré nie je čierne.

Existuje aj koncept: Biele telo a priehľadné telo, ale o tom nižšie.

Tepelné žiarenie má rôzne frekvencie (rôzne vlny) a každé jednotlivé teleso môže mať inú vlnovú dĺžku žiarenia. Navyše, pri zmene teploty sa táto vlnová dĺžka môže meniť a môže sa meniť aj jej intenzita (sila žiarenia).

Všetky tieto faktory skomplikujú proces natoľko, že je ťažké nájsť univerzálny vzorec na výpočet energetických strát v dôsledku vyžarovania. A preto sa v učebniciach a v akejkoľvek literatúre používa na výpočty čierne teleso a iné sivé telesá sa používajú ako súčasť čierneho telesa. Na výpočet šedého telesa sa používa koeficient čiernosti. Tieto koeficienty sú uvedené v referenčných knihách pre niektoré materiály.

Pozrime sa na obrázok, ktorý potvrdzuje zložitosť výpočtu emisivity.

Obrázok ukazuje dve guľôčky, ktoré obsahujú častice tejto gule. Červené šípky sú lúče vyžarované časticami.

Predstavte si čierne telo.

Vo vnútri čierneho tela, hlboko vo vnútri, sú nejaké častice, ktoré sú označené oranžovou farbou. Vyžarujú lúče, ktoré absorbujú ďalšie blízke častice, ktoré sú označené žltou farbou. Lúče oranžových častíc čierneho telesa nie sú schopné prechádzať cez iné častice. A preto iba vonkajšie častice tejto lopty vyžarujú lúče po celej ploche lopty. Preto je výpočet čierneho telesa jednoduchý. Tiež sa všeobecne uznáva, že čierne teleso vyžaruje celé spektrum vĺn. To znamená, že vysiela všetky dostupné vlny rôznych dĺžok. Sivé teleso môže vyžarovať časť vlnového spektra, len určitej vlnovej dĺžky.

Predstavte si sivé telo.

Vo vnútri sivého telesa častice vo vnútri vyžarujú časť lúčov, ktoré prechádzajú cez iné častice. A to je jediný dôvod, prečo sa výpočet komplikuje.

Tepelné žiarenie- ide o elektromagnetické žiarenie, ktoré vzniká v dôsledku premeny energie tepelného pohybu častíc telesa na energiu žiarenia. Práve tepelná povaha budenia elementárnych žiaričov (atómov, molekúl a pod.) kontrastuje tepelné žiarenie so všetkými ostatnými typmi luminiscencie a určuje jeho špecifickú vlastnosť závisieť len od teploty a optických charakteristík emitujúceho telesa.

Prax ukazuje, že tepelné žiarenie je pozorované vo všetkých telesách pri akejkoľvek inej teplote ako 0 K. Samozrejme, intenzita a charakter žiarenia závisí od teploty emitujúceho telesa. Napríklad všetky telesá s izbovou teplotou + 20 °C vyžarujú hlavne infračervené vlny s vlnovou dĺžkou blízkou 10 mikrónov a Slnko vyžaruje energiu, ktorej maximum je 0,5 mikrónu, čo zodpovedá viditeľnému rozsahu. Pri T → 0 K telesá prakticky nevyžarujú.

Tepelné žiarenie vedie k poklesu vnútornej energie tela a následne k zníženiu telesnej teploty, k ochladzovaniu. Zahriate teleso uvoľňuje v dôsledku tepelného žiarenia vnútornú energiu a ochladzuje sa na teplotu okolitých telies. Absorbovaním žiarenia sa zase môžu studené telesá zahriať. Takéto procesy, ktoré môžu prebiehať aj vo vákuu, sa nazývajú žiarenie.

Čisto čierne telo- fyzikálna abstrakcia používaná v termodynamike, teleso, ktoré pohlcuje všetko naň dopadajúce elektromagnetické žiarenie vo všetkých rozsahoch a nič neodráža. Napriek názvu môže úplne čierne telo samo vyžarovať elektromagnetické žiarenie akejkoľvek frekvencie a vizuálne mať farbu. Spektrum žiarenia úplne čierneho telesa je určené iba jeho teplotou.

Tabuľka:

(Rozsah teplôt v Kelvinoch a ich farba)

do 1000 červených

1000-1500 Orange

1500-2000 žltá

2000-4000 Bledožltá

4000-5500 Žltkastá biela

5500-7000 Čisto biela

7000-9000 Modrobiela

9000-15000 Bielo-modrá

15000-∞ modrá

Mimochodom, na základe vlnovej dĺžky (farby) sme určili teplotu slnka, je to asi 6000 Kelvinov. Uhlie zvyčajne svieti na červeno. Pripomína vám to niečo? Teplotu môžete určiť podľa farby. To znamená, že existujú zariadenia, ktoré merajú vlnovú dĺžku, čím určujú teplotu materiálu.

Najčernejšie skutočné látky, napríklad sadze, absorbujú až 99 % dopadajúceho žiarenia (t.j. majú albedo 0,01) vo viditeľnej oblasti vlnových dĺžok, ale infračervené žiarenie pohlcujú oveľa horšie. Sýto čierna farba niektorých materiálov (uhoľ, čierny zamat) a zrenice ľudského oka sa vysvetľuje rovnakým mechanizmom. Spomedzi telies Slnečnej sústavy má Slnko v najväčšej miere vlastnosti úplne čierneho telesa. Podľa definície Slnko neodráža prakticky žiadne žiarenie. Termín zaviedol Gustav Kirchhoff v roku 1862.

Podľa spektrálnej klasifikácie patrí Slnko do typu G2V („žltý trpaslík“). Povrchová teplota Slnka dosahuje 6000 K, Slnko teda svieti takmer bielym svetlom, no v dôsledku pohltenia časti spektra zemskou atmosférou v blízkosti povrchu našej planéty toto svetlo získava žltý odtieň.

Absolútne čierne telesá absorbujú 100% a zároveň sa zahrievajú a naopak! zahriate teleso - vyžaruje 100%, to znamená, že medzi teplotou Slnka - a jeho spektrom - keďže spektrum aj teplota už boli určené - existuje prísny vzorec (vzorec pre žiarenie absolútne čierneho telesa) - áno, Slnko nemá žiadne odchýlky od týchto parametrov!

V astronómii existuje taký diagram - „Spektrum-Luminosita“, takže naše Slnko patrí do „hlavnej postupnosti“ hviezd, do ktorej patrí väčšina ostatných hviezd, to znamená, že takmer všetky hviezdy sú „absolútne čierne telesá“, zvláštne ako napr. môže sa zdať... Výnimky - bieli trpaslíci, červení obri a novy, supernovy...

Toto je niekto, kto v škole neštudoval fyziku.

Úplne čierne teleso pohlcuje VŠETKO žiarenie a vyžaruje viac ako všetky ostatné telesá (čím viac telo absorbuje, tým viac sa zahrieva; čím viac sa zahrieva, tým viac vyžaruje).

Majme dva povrchy – sivý (s koeficientom čiernosti 0,5) a absolútne čierny (s koeficientom čiernosti 1).

Koeficient emisivity je koeficient absorpcie.

Teraz nasmerovaním rovnakého toku fotónov, povedzme 100, na tieto povrchy.

Sivý povrch ich pohltí 50, čierny všetkých 100.

Ktorý povrch vyžaruje viac svetla - v ktorom „sedí“ 50 fotónov alebo 100?

Planck ako prvý správne vypočítal žiarenie čierneho telesa.

Slnečné žiarenie sa zhruba riadi Planckovým vzorcom.

A tak začnime študovať teóriu...

Žiarenie označuje vyžarovanie a šírenie elektromagnetických vĺn akéhokoľvek druhu. V závislosti od vlnovej dĺžky sa rozlišujú: röntgenové, ultrafialové, infračervené, svetelné (viditeľné) žiarenie a rádiové vlny.

Röntgenové žiarenie- elektromagnetické vlny, ktorých energia fotónov leží na škále elektromagnetických vĺn medzi ultrafialovým žiarením a gama žiarením, čo zodpovedá vlnovým dĺžkam od 10−2 do 103 Angstromov. 10 Angstrom = 1 nm. (0,001-100 nm)

Ultrafialové žiarenie(ultrafialové, ultrafialové, UV) - elektromagnetické žiarenie, ktoré zaberá rozsah medzi fialovou hranicou viditeľného žiarenia a röntgenovým žiarením (10 - 380 nm).

Infra červená radiácia- elektromagnetické žiarenie, zaberajúce spektrálnu oblasť medzi červeným koncom viditeľného svetla (s vlnovou dĺžkou λ = 0,74 μm) a mikrovlnným žiarením (λ ~ 1-2 mm).

Teraz je celý rozsah infračerveného žiarenia rozdelený do troch zložiek:

Oblasť krátkej vlnovej dĺžky: A = 0,74-2,5 um;

Stredná oblasť: A = 2,5-50 um;

Oblasť dlhej vlnovej dĺžky: λ = 50-2000 um;

Viditeľné žiarenie- elektromagnetické vlny vnímané ľudským okom. Citlivosť ľudského oka na elektromagnetické žiarenie závisí od vlnovej dĺžky (frekvencie) žiarenia, pričom maximálna citlivosť sa vyskytuje pri 555 nm (540 terahertz), v zelenej časti spektra. Keďže citlivosť postupne klesá na nulu, keď sa človek vzďaľuje od maximálneho bodu, nie je možné určiť presné hranice spektrálneho rozsahu viditeľného žiarenia. Typicky sa za krátkovlnnú hranicu považuje oblasť 380-400 nm (750-790 THz) a za hranicu dlhých vĺn 760-780 nm (385-395 THz). Elektromagnetické žiarenie s týmito vlnovými dĺžkami sa nazýva aj viditeľné svetlo, alebo jednoducho svetlo (v užšom zmysle slova).

Rádiové emisie(rádiové vlny, rádiové frekvencie) - elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami 5 10−5-1010 metrov a frekvenciami od 6 1012 Hz do niekoľkých Hz. Rádiové vlny sa používajú na prenos údajov v rádiových sieťach.

Tepelné žiarenie je proces šírenia vnútornej energie vyžarujúceho telesa v priestore elektromagnetickými vlnami. Príčinnými činiteľmi týchto vĺn sú častice materiálu, ktoré tvoria látku. Na šírenie elektromagnetických vĺn nie je potrebné materiálne prostredie vo vákuu sa šíria rýchlosťou svetla a sú charakterizované vlnovou dĺžkou λ alebo frekvenciou kmitov ν. Pri teplotách do 1500 °C zodpovedá hlavná časť energie infračervenému a čiastočne svetelnému žiareniu (λ=0,7÷50 µm).

Je potrebné poznamenať, že energia žiarenia nie je vyžarovaná nepretržite, ale vo forme určitých častí - kvantá. Nositeľmi týchto častí energie sú elementárne častice žiarenia - fotóny, ktoré majú energiu, množstvo pohybu a elektromagnetickú hmotnosť. Keď energia žiarenia dopadá na iné telesá, je nimi čiastočne absorbovaná, čiastočne odrazená a čiastočne prechádza telom. Proces premeny energie žiarenia na vnútornú energiu absorbujúceho telesa sa nazýva absorpcia. Väčšina pevných látok a kvapalín vyžaruje energiu všetkých vlnových dĺžok v rozsahu od 0 do ∞, to znamená, že majú spojité emisné spektrum. Plyny emitujú energiu len v určitých rozsahoch vlnových dĺžok (selektívne emisné spektrum). Pevné látky vyžarujú a absorbujú energiu svojim povrchom a plyny svojím objemom.

Energia emitovaná za jednotku času v úzkom rozsahu vlnových dĺžok (od λ do λ+dλ) sa nazýva tok monochromatického žiarenia Qλ. Tok žiarenia zodpovedajúci celému spektru v rozsahu od 0 do ∞ sa nazýva integrálny alebo celkový žiarivý tok Q(W). Integrálny žiarivý tok vyžarovaný jednotkovým povrchom telesa vo všetkých smeroch pologuľového priestoru sa nazýva integrálna hustota žiarenia (W/m2).

Aby ste pochopili tento vzorec, zvážte obrázok.

Nie náhodou som zobrazil dve verzie tela. Vzorec platí len pre telo štvorcového tvaru. Pretože vyžarujúca plocha musí byť plochá. Za predpokladu, že vyžaruje len povrch tela. Vnútorné častice nevyžarujú.

Keď poznáte hustotu žiarenia materiálu, môžete vypočítať, koľko energie sa spotrebuje na žiarenie:

Je potrebné pochopiť, že lúče vychádzajúce z roviny majú rôznu intenzitu žiarenia vo vzťahu k normále roviny.

Lambertov zákon. Žiarivá energia vyžarovaná telesom sa šíri v priestore rôznymi smermi s rôznou intenzitou. Zákon, ktorý určuje závislosť intenzity žiarenia od smeru, sa nazýva Lambertov zákon.

Lambertov zákon stanovuje, že množstvo žiarivej energie vyžarovanej povrchovým prvkom v smere iného prvku je úmerné súčinu množstva energie vyžarovanej pozdĺž normály veľkosťou priestorového uhla, ktorý zviera smer žiarenia s normálou.

Pozri obrázok.

Intenzitu každého lúča je možné zistiť pomocou trigonometrickej funkcie:

To znamená, že je to druh uhlového koeficientu a prísne dodržiava trigonometriu uhla. Koeficient funguje len pre čierne teleso. Pretože blízke častice budú absorbovať bočné lúče. Pre sivé teleso je potrebné vziať do úvahy počet lúčov prechádzajúcich časticami. Treba brať do úvahy aj odraz lúčov.

V dôsledku toho sa najväčšie množstvo žiarivej energie vyžaruje v smere kolmom na povrch žiarenia. Lambertov zákon úplne platí pre absolútne čierne teleso a pre telesá s difúznym žiarením pri teplote 0 - 60°C. Lambertov zákon neplatí pre leštené povrchy. Pre nich bude emisia žiarenia pod uhlom väčšia ako v smere kolmom na povrch.

Nižšie určite zvážime objemnejšie vzorce na výpočet množstva tepla strateného telom. Zatiaľ je však potrebné dozvedieť sa niečo navyše o teórii.

Trochu o definíciách. Na správne vyjadrenie sa vám budú hodiť definície.

Všimnite si, že väčšina pevných látok a kvapalín má spojité (kontinuálne) spektrum žiarenia. To znamená, že majú schopnosť vyžarovať lúče všetkých vlnových dĺžok.

Aj obyčajný stôl v miestnosti, ako pevné teleso, môže vyžarovať röntgenové alebo ultrafialové žiarenie, no jeho intenzita je taká nízka, že si ho nielen nevšimneme, ale jeho hodnota vo vzťahu k ostatným vlnám sa môže blížiť nule.

Tok žiarenia (alebo tok žiarenia) je pomer energie žiarenia k času žiarenia, W:

kde Q je energia žiarenia, J; t - čas, s.

Ak sa žiarivý tok vyžarovaný ľubovoľným povrchom vo všetkých smeroch (t. j. v rámci hemisféry s ľubovoľným polomerom) vyskytuje v úzkom rozsahu vlnových dĺžok od λ do λ+Δλ, potom sa nazýva monochromatický tok žiarenia.

Celkové žiarenie z povrchu tela vo všetkých vlnových dĺžkach spektra sa nazýva integrálny alebo celkový tok žiarenia Ф

Integrálny tok vyžarovaný z jednotkového povrchu sa nazýva povrchová hustota toku integrálneho žiarenia alebo emisivity, W/m2,

Vzorec možno použiť aj pre monochromatické žiarenie. Ak tepelné monochromatické žiarenie dopadne na povrch telesa, tak vo všeobecnom prípade časť rovnajúca sa B λ tohto žiarenia teleso pohltí, t.j. sa v dôsledku interakcie s hmotou premení na inú formu energie, časť F λ sa odrazí a časť D λ prejde telom. Ak predpokladáme, že žiarenie dopadajúce na telo sa rovná jednotke, potom

B X + F X + D X = 1

kde B λ, F λ, D λ sú koeficienty absorpcie a odrazu

a telesným prenosom.

Keď v rámci spektra zostávajú hodnoty B, F, D konštantné, t.j. nezávisia od vlnovej dĺžky, nie sú potrebné indexy. V tomto prípade

Ak B = 1 (F = D = 0), potom teleso, ktoré úplne pohltí všetko naň dopadajúce žiarenie, bez ohľadu na vlnovú dĺžku, smer dopadu a stav polarizácie žiarenia, sa nazýva čierne teleso alebo úplný žiarič.

Ak F=1 (B=D=0), potom sa žiarenie dopadajúce na teleso úplne odrazí. V prípade, že je povrch telesa drsný, lúče sa odrážajú rozptýlene (difúzny odraz) a teleso sa nazýva biele, a keď je povrch telesa hladký a odraz sa riadi zákonmi geometrickej optiky, potom teleso (povrch) sa nazýva zrkadlo. V prípade, že D = 1 (B = F = 0), teleso je priepustné pre tepelné lúče (diatermické).

Pevné látky a kvapaliny sú pre tepelné lúče prakticky nepriepustné (D = 0), t.j. atermický. Pre takéto telá

V prírode neexistujú absolútne čierne telá, rovnako ako priehľadné alebo biele telá. Takéto orgány sa musia považovať za vedecké abstrakcie. Ale predsa len, niektoré skutočné telesá môžu byť svojimi vlastnosťami celkom blízko takýmto idealizovaným telám.

Treba poznamenať, že niektoré telesá majú určité vlastnosti vo vzťahu k lúčom určitej vlnovej dĺžky a iné vlastnosti vo vzťahu k lúčom inej dĺžky. Napríklad teleso môže byť priehľadné pre infračervené lúče a nepriehľadné pre viditeľné (svetelné) lúče. Povrch telesa môže byť hladký vo vzťahu k lúčom jednej vlnovej dĺžky a drsný pre lúče inej vlnovej dĺžky.

Plyny, najmä tie pod nízkym tlakom, na rozdiel od pevných látok a kvapalín vyžarujú čiarové spektrum. Plyny teda pohlcujú a vyžarujú lúče len určitej vlnovej dĺžky, iné lúče však nemôžu ani vyžarovať, ani pohlcovať. V tomto prípade hovoria o selektívnej absorpcii a emisii.

V teórii tepelného žiarenia zohráva dôležitú úlohu veličina nazývaná spektrálna hustota toku žiarenia alebo spektrálna emisivita, čo je pomer hustoty žiarivého toku emitovaného v infinitezimálnom intervale vlnových dĺžok od λ do λ+Δλ. na veľkosť tohto intervalu vlnových dĺžok Δλ, W/m 2,

kde E je plošná hustota sálavého toku, W/m2.

Teraz dúfam, že chápete, že proces výpočtu sa stáva mimoriadne náročným. V tomto smere musíme stále pracovať a pracovať. Každý materiál musí byť testovaný pri rôznych teplotách. Ale z nejakého dôvodu neexistujú prakticky žiadne údaje o materiáloch. Alebo skôr som nenašiel experimentálnu referenčnú knihu o materiáloch.

Prečo neexistuje taký sprievodca materiálmi? Pretože tepelné žiarenie je veľmi malé a myslím si, že v našich životných podmienkach pravdepodobne nepresiahne 10 %. Preto nie sú zahrnuté do výpočtu. Keď často lietame do vesmíru, potom sa objavia všetky výpočty. Alebo lepšie povedané, naša kozmonautika nazbierala údaje o materiáloch, no zatiaľ nie sú voľne dostupné.

Zákon absorpcie energie žiarenia

Každé telo je schopné absorbovať určitú časť vyžarujúcej energie, viac o tom nižšie.

Ak na akékoľvek teleso hrúbky l dopadá žiarivý tok (pozri obrázok), tak vo všeobecnom prípade pri prechode telesom klesá. Predpokladá sa, že relatívna zmena žiarivého toku pozdĺž dráhy Δl je priamo úmerná dráhe toku:

Koeficient úmernosti b sa nazýva index absorpcie, ktorý vo všeobecnosti závisí od fyzikálnych vlastností telesa a vlnovej dĺžky.

Integráciou v rozsahu od l do 0 a ak vezmeme konštantu b, dostaneme

Stanovme súvislosť medzi spektrálnym absorpčným koeficientom telesa B λ a spektrálnym absorpčným koeficientom látky b λ.

Z definície spektrálneho absorpčného koeficientu B λ máme

Po dosadení hodnôt do tejto rovnice získame vzťah medzi spektrálnym absorpčným koeficientom B λ a spektrálnym absorpčným indexom B λ.

Absorpčný koeficient B λ sa rovná nule pri l 1 = 0 a b λ = 0. Pre veľkú hodnotu bλ stačí veľmi malá hodnota l, ale stále sa nerovná nule, takže hodnota B λ je tak blízko k jednote, ako si želáte. V tomto prípade môžeme povedať, že k absorpcii dochádza v tenkej povrchovej vrstve látky. Len v tomto chápaní je možné hovoriť o povrchovej absorpcii. U väčšiny pevných látok v dôsledku veľkej hodnoty absorpčného koeficientu b λ nastáva „povrchová absorpcia“ v uvedenom zmysle, a preto je absorpčný koeficient značne ovplyvnený stavom jej povrchu.

Telesá, hoci s nízkym koeficientom absorpcie, ako sú plyny, môžu, ak sú dostatočne hrubé, mať veľký koeficient absorpcie, t.j. sú nepriehľadné pre lúče danej vlnovej dĺžky.

Ak b λ = 0 pre interval Δλ a pre ostatné vlnové dĺžky sa b λ nerovná nule, potom teleso absorbuje dopadajúce žiarenie len určitých vlnových dĺžok. V tomto prípade, ako je uvedené vyššie, hovoríme o selektívnom absorpčnom koeficiente.

Zdôraznime zásadný rozdiel medzi absorpčným koeficientom látky b λ a absorpčným koeficientom B λ telesa. Prvý charakterizuje fyzikálne vlastnosti látky vo vzťahu k lúčom určitej vlnovej dĺžky. Hodnota B λ závisí nielen od fyzikálnych vlastností látky, z ktorej sa teleso skladá, ale aj od tvaru, veľkosti a stavu povrchu telesa.

Zákony žiarenia žiarivej energie

Max Planck teoreticky na základe elektromagnetickej teórie stanovil zákon (nazývaný Planckov zákon) vyjadrujúci závislosť spektrálnej emisivity čierneho telesa E 0λ od vlnovej dĺžky λ a teploty T.

kde E 0λ (λ,T) je emisivita čierneho telesa, W/m2; T - termodynamická teplota, K; C1 a C2 - konštanty; C1 = 2πhc 2 = (3,74150±0,0003) 10-16 W m2; C2=hc/k=(1,438790±0,00019)10-2; m K (tu h=(6,626176±0,000036) 10 -34 J s je Planckova konštanta; c=(299792458±1,2) m/s je rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo voľnom priestore: k je Boltzmannova konštanta. )

Z Planckovho zákona vyplýva, že spektrálna emisivita môže byť nulová pri termodynamickej teplote rovnej nule (T=0), alebo pri vlnovej dĺžke λ = 0 a λ→∞ (pri T≠0).

Následne čierne teleso vyžaruje pri akejkoľvek teplote nad 0 K. (T > 0) lúče všetkých vlnových dĺžok, t.j. má spojité (kontinuálne) emisné spektrum.

Z vyššie uvedeného vzorca môžeme získať vypočítaný výraz pre emisivitu čierneho telesa:

Integráciou v rozsahu zmien λ od 0 do ∞ dostaneme

V dôsledku rozšírenia integrandu do radu a jeho integrácie získame vypočítaný výraz emisivity čierneho telesa, ktorý sa nazýva Stefan-Boltzmannov zákon:

kde Eo je emisivita čierneho telesa, W/m2;

σ - konštanta Stefana Boltzmanna, W/(m 2 K 4);

a = (5,67032 ± 0,00071)10-8;

T - termodynamická teplota, K.

Vzorec je často napísaný vo forme vhodnejšej na výpočet:

Tento vzorec použijeme na výpočty. Ale toto nie je konečný vzorec. Vzťahuje sa len na čierne telesá. Ako ho použiť na sivé telá bude popísané nižšie.

kde Eo je emisivita čierneho telesa; Co = 5,67 W/(m2K4).

Stefanov-Boltzmannov zákon je formulovaný takto: emisivita čierneho telesa je priamo úmerná jeho termodynamickej teplote na štvrtú mocninu.

Spektrálne rozloženie žiarenia čierneho telesa pri rôznych teplotách

λ - vlnová dĺžka od 0 do 10 µm (0-10000 nm)

E 0λ - treba chápať takto: Ako keby v objeme (m 3) čierneho telesa bolo určité množstvo energie (W). To neznamená, že takúto energiu vyžaruje len zo svojich vonkajších častíc. Jednoducho, ak zhromaždíme všetky častice čierneho telesa v objeme a zmeriame emisivitu každej častice vo všetkých smeroch a všetky ich spočítame, potom dostaneme celkovú energiu v objeme, ktorá je uvedená na grafe.

Ako vidno z umiestnenia izoterm, každá z nich má maximum a čím vyššia je termodynamická teplota, tým väčšia je hodnota E0λ zodpovedajúca maximu a samotný maximálny bod sa posúva do oblasti kratších vĺn. Posun maximálnej spektrálnej emisivity E0λmax do oblasti kratších vĺn je známy ako

Viedenského vysídľovacieho zákona, podľa ktorého

T λ max = 2,88 10 -3 m K = konštanta a λ max = 2,88 10 -3 / T,

kde λ max je vlnová dĺžka zodpovedajúca maximálnej hodnote spektrálnej emisivity E 0λmax.

Takže napríklad pri T = 6000 K (približná teplota slnečného povrchu) sa maximum E 0λ nachádza v oblasti viditeľného žiarenia, do ktorého spadá asi 50 % slnečnej emisivity.

Elementárna plocha pod izotermou, vytieňovaná na grafe, sa rovná E 0λ Δλ. Je zrejmé, že súčet týchto plôch, t.j. integrál predstavuje emisivitu čierneho telesa E 0 . Preto oblasť medzi izotermou a osou x zobrazuje emisivitu čierneho telesa v konvenčnej mierke diagramu. Pri nízkych hodnotách termodynamickej teploty prechádzajú izotermy v tesnej blízkosti osi x a indikovaná plocha je taká malá, že ju možno prakticky považovať za rovnú nule.

Koncepty takzvaných šedých telies a šedého žiarenia zohrávajú v technológii veľkú úlohu. Gray je neselektívny tepelný žiarič schopný vyžarovať spojité spektrum so spektrálnou emisivitou E λ pre vlny všetkých dĺžok a pri všetkých teplotách, tvoriaci konštantný podiel spektrálnej emisivity čierneho telesa E 0λ t.j.

Konštanta ε sa nazýva koeficient emisivity tepelného žiariča. Pre sivé telesá koeficient emisivity ε

V grafe sú schematicky znázornené krivky rozloženia vlnových dĺžok spektrálnej emisivity čierneho telesa E λ (ε = 1) a spektrálnej emisivity šedého telesa E λ rovnakej teploty ako čierne teleso (pri ε = 0,5 a ε = 0,25 ). Emisivita šedého telesa

Práca

nazývaná emisivita šedého telesa.

Hodnoty emisivity získané zo skúseností sú uvedené v referenčnej literatúre.

Väčšinu telies používaných v technike možno zameniť za sivé telesá a ich žiarenie sa považuje za šedé žiarenie. Presnejšie štúdie ukazujú, že je to možné len ako prvé priblíženie, ale na praktické účely to stačí. Odchýlka od Stefan-Boltzmannovho zákona pre sivé telesá sa zvyčajne berie do úvahy tak, že emisivita C závisí od teploty. V tejto súvislosti tabuľky uvádzajú teplotný rozsah, pre ktorý sa experimentálne určuje hodnota emisivity C.

V budúcnosti, pre zjednodušenie záverov, budeme predpokladať, že emisivita šedého telesa nezávisí od teploty.

Koeficienty emisivity niektorých materiálov

(Materiál / Teplota v °C / Hodnota E)

Oxidovaný hliník / 200-600 / 0,11 -0,19

Leštený hliník / 225-575 / 0,039-0,057

Červená tehla / 20 / 0,93

Ohňovzdorná tehla / - / 0,8-0,9

Oxidovaná meď / 200-600 / 0,57-0,87

Oxidované olovo / 200 / 0,63

Leštená oceľ / 940-1100 / 0,55-0,61

Sústružená liatina / 830-910 / 0,6-0,7

Oxidovaná liatina / 200-600 / 0,64-0,78

Leštený hliník / 50-500 / 0,04-0,06

Bronz / 50 / 0,1

Pozinkovaný plech, lesklý / 30 / 0,23

Biely cín, starý / 20 / 0,28

Leštené zlato / 200 - 600 / 0,02-0,03

Mosadz matná / 20-350 / 0,22

Leštená meď / 50-100 / 0,02

Leštený nikel / 200-400 / 0,07-0,09

Lesklý cín / 20-50 / 0,04-0,06

Leštené striebro / 200-600 / 0,02-0,03

Valcované oceľové plechy / 50 / 0,56

Oxidovaná oceľ / 200-600 / 0,8

Vysoko oxidovaná oceľ / 500 / 0,98

Liatina / 50 / 0,81

Azbestová lepenka / 20 / 0,96

Hobľované drevo / 20 / 0,8-0,9

Ohňovzdorná tehla / 500-1000 / 0,8-0,9

Šamotová tehla / 1000 / 0,75

Červená tehla, hrubá / 20 / 0,88-0,93

Lak čierny, matný / 40-100 / 0,96-0,98

Biely lak / 40-100 / 0,8-0,95

Olejové farby rôznych farieb / 100 / 0,92-0,96

Uhlík lampy / 20-400 / 0,95

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

Biely smalt / 20 / 0,9

Kirchhoffov zákon

Kirchhoffov zákon stanovuje vzťah medzi emisivitou a absorpčným koeficientom šedého telesa.

Uvažujme dve rovnobežné sivé telesá nekonečného rozsahu s plochými plochami, každé s plochou A.

Nekonečne rozšírená rovina umožňuje približné výpočty na nájdenie skutočného žiarenia v praktických a teoretických experimentoch. Pri teoretických experimentoch sa skutočná hodnota zisťuje pomocou integrálnych výrazov a pri experimentoch väčšia rovina približuje výpočty k reálnym hodnotám. Vplyv zbytočného bočného a uhlového žiarenia, ktoré odlieta a nie je pohlcované experimentálnymi platňami, teda akosi uhasíme veľkou nekonečnou rovinou.

To znamená, že ak koeficient vynásobíme emisivitou, dostaneme výslednú hodnotu emisie (W).

Môžeme predpokladať, že všetky lúče vyslané jedným telesom úplne dopadajú na druhé. Predpokladajme, že koeficienty priepustnosti týchto telies sú D 1 = D 2 = 0 a medzi povrchmi dvoch rovín je teplo priepustné (diatermické) médium. Označme E1, B1, F1, T1 a E2, B2, F2, T2 emisivitu, absorpciu, odraz a povrchovú teplotu prvého a druhého telesa.

Tok žiarivej energie z povrchu 1 k povrchu 2 sa rovná súčinu emisivity povrchu 1 a jeho plochy A, t.j. E 1 A, z ktorej časť E 1 B 2 A absorbuje povrch 2 a časť E 1 F 2 A sa odráža späť na povrch 1. Z tohto odrazeného toku E 1 F 2 A povrch 1 absorbuje E 1 F 2 B 1 A a odráža E 1 F 1 F 2 A. OD odrazeného energetického toku E 1 F 1 F 2 A bude povrch 2 opäť absorbovať E 1 F 1 F 2 B 2 A a odrážať E 1 F 1 F 2 A , atď.

Podobne sa sálavá energia prenáša tokom E 2 z povrchu 2 na povrch 1. Výsledkom je, že tok sálavej energie absorbovaný povrchom 2 (alebo vydaný povrchom 1)

Tok žiarivej energie absorbovaný povrchom 1 (alebo vydaný povrchom 2),

V konečnom dôsledku sa tok žiarivej energie prenesený z plochy 1 na plochu 2 bude rovnať rozdielu medzi žiarivými tokmi Ф 1→2 a Ф 2→1, t.j.

Výsledný výraz platí pre všetky teploty T 1 a T 2 a najmä pre T 1 = T 2. V druhom prípade je uvažovaný systém v dynamickej tepelnej rovnováhe a na základe druhého termodynamického zákona je potrebné dať Ф 1→2 = Ф 2→1, ktorý nasleduje

E 1 B 2 = E 2 B 1 alebo

Výsledná rovnosť sa nazýva Kirchhoffov zákon: pomer emisivity telesa k jeho absorpčnému koeficientu pre všetky sivé telesá pri rovnakej teplote je rovnaký a rovný emisivite čierneho telesa pri rovnakej teplote.

Ak má teleso nízky koeficient absorpcie, ako napríklad dobre vyleštený kov, potom má toto teleso tiež nízku emisivitu. Na tomto základe sú na zníženie tepelných strát sálaním do vonkajšieho prostredia teplo uvoľňujúce povrchy pokryté plechmi z lešteného kovu na tepelnú izoláciu.

Pri odvodzovaní Kirchhoffovho zákona sa uvažovalo so sivým žiarením. Záver zostane v platnosti aj vtedy, ak sa tepelné žiarenie oboch telies uvažuje len v určitej časti spektra, no napriek tomu má rovnaký charakter, t.j. obe telesá vyžarujú lúče, ktorých vlnové dĺžky ležia v rovnakej ľubovoľnej spektrálnej oblasti. V limitnom prípade sa dostávame k prípadu monochromatického žiarenia. Potom

tie. pre monochromatické žiarenie by mal byť Kirchhoffov zákon formulovaný takto: pomer spektrálnej emisivity telesa pri určitej vlnovej dĺžke k jeho absorpčnému koeficientu pri rovnakej vlnovej dĺžke je rovnaký pre všetky telesá pri rovnakých teplotách a rovná sa spektrálnej emisivity. emisivita čierneho telesa pri rovnakej dĺžke vĺn a rovnakej teplote.

Dospeli sme k záveru, že pre sivé teleso B = ε, t.j. pojmy „koeficient absorpcie“ B a „koeficient začernenia“ ε pre sivé teleso sa zhodujú. Podľa definície koeficient emisivity nezávisí ani od teploty, ani od vlnovej dĺžky, a preto koeficient absorpcie šedého telesa tiež nezávisí od vlnovej dĺžky ani teploty.

Žiarenie plynov

Žiarenie z plynov sa výrazne líši od žiarenia z pevných látok. Absorpcia a emisia plynov - selektívna (selektívna). Plyny absorbujú a vyžarujú žiarivú energiu len v určitých, skôr úzkych intervaloch Δλ vlnových dĺžok – tzv. Vo zvyšku spektra plyny nevyžarujú ani neabsorbujú žiarivú energiu.

Diatomické plyny majú zanedbateľne malú schopnosť absorbovať energiu žiarenia, a teda aj nízku schopnosť ju vyžarovať. Preto sa tieto plyny zvyčajne považujú za diatermické. Na rozdiel od dvojatómových plynov majú polyatómové plyny, vrátane trojatómových plynov, významnú schopnosť emitovať a absorbovať žiarivú energiu. Z triatómových plynov v oblasti tepelnotechnických výpočtov majú najväčší praktický význam oxid uhličitý (CO 2) a vodná para (H 2 O), z ktorých každý má tri emisné pásma.

Na rozdiel od pevných látok je index absorpcie pre plyny (samozrejme v oblasti absorpčných pásov) malý. Preto pre plynné telesá už nie je možné hovoriť o „povrchovej“ absorpcii, pretože absorpcia energie žiarenia nastáva v konečnom objeme plynu. V tomto zmysle sa absorpcia a emisia plynov nazývajú objemové. Okrem toho absorpčný koeficient b λ pre plyny závisí od teploty.

Podľa absorpčného zákona môže byť spektrálny absorpčný koeficient telesa určený:

Pre plynné telesá je táto závislosť trochu komplikovaná skutočnosťou, že koeficient absorpcie plynu je ovplyvnený jeho tlakom. To sa vysvetľuje skutočnosťou, že absorpcia (žiarenie) je intenzívnejšia, čím väčší je počet molekúl, ktoré sa stretávajú s lúčom na jeho ceste, a objemový počet molekúl (pomer počtu molekúl k objemu) je priamo úmerný. na tlak (pri t = konšt.).

V technických výpočtoch žiarenia plynov sú absorbujúce plyny (CO 2 a H 2 O) zvyčajne zahrnuté ako zložky v zmesi plynov. Ak je tlak zmesi p a parciálny tlak absorbujúceho (alebo emitujúceho) plynu p i, potom namiesto l je potrebné nahradiť hodnotu p i 1. Hodnota p i 1, ktorá je súčinom plynu tlak a jeho hrúbka, sa nazýva efektívna hrúbka vrstvy. Pre plyny teda spektrálny absorpčný koeficient

Koeficient spektrálnej absorpcie plynu (v priestore) závisí od fyzikálnych vlastností plynu, tvaru priestoru, jeho rozmerov a teploty plynu. Potom, v súlade s Kirchhoffovým zákonom, spektrálna emisivita

Emisivita v rámci jedného spektrálneho pásma

Tento vzorec sa používa na určenie emisivity plynu do voľného priestoru (prázdnoty). (Voľný priestor možno považovať za čierny priestor pri 0 K.) Plynový priestor je však vždy obmedzený povrchom pevného telesa, ktoré má vo všeobecnosti teplotu T st ≠ T g a koeficient emisivity ε st

Emisivita plynu v uzavretom priestore sa rovná súčtu emisivity prevzatých zo všetkých spektrálnych pásiem:

Experimentálne štúdie ukázali, že emisivita plynov sa neriadi Stefanovým-Boltzmannovým zákonom, t.j. v závislosti od štvrtej mocniny absolútnej teploty.

Pre praktické výpočty žiarenia plynu sa však používa zákon štvrtej mocniny, ktorý zavádza primeranú korekciu hodnoty koeficientu emisivity plynu ε g:

Tu ε g = f(T,p l)

Priemerná dĺžka dráhy lúča

kde V je objem plynu; A je povrchová plocha škrupiny.

Emisivita plynu, ktorého zložkami sú CO 2 a H 2 O (spalné plyny) do plášťa sivého telesa

v ktorom posledný člen zohľadňuje vlastné vyžarovanie plášťa.

Takzvaný faktor efektívnej emisivity plášťa ε" st, väčší ako ε st, v dôsledku prítomnosti sálavého plynu.

Koeficient emisivity plynu pri teplote plynu t g

Hodnoty emisivity ε CO2 a ε H2O v závislosti od teploty pri rôznych hodnotách parametra p i l sú znázornené na obrázku.

Korekčný faktor β sa určí z grafu.

Emisné a absorpčné pásma pre C0 2 a H 2 0 sa trochu prekrývajú, a preto časť energie emitovanej jedným plynom je absorbovaná druhým. Preto koeficient emisivity zmesi oxidu uhličitého a vodnej pary pri teplote steny t st

kde Δε g je korekcia zohľadňujúca špecifikovanú absorpciu. Pre plynné produkty spaľovania konvenčného zloženia je Δε g = 2 - 4 % a možno ho zanedbať.

Dá sa predpokladať, že pri ε st = 0,8 + 1,0 je efektívny koeficient emisivity plášťa ε" st = 0,5 (ε st + 1).

Tieto vlastnosti žiarenia a absorpcie plynov umožňujú vytvoriť mechanizmus takzvaného „skleníkového efektu“, ktorý má významný vplyv na formovanie a zmenu klímy Zeme.

Väčšina slnečného žiarenia prechádza atmosférou a ohrieva povrch Zeme. Na druhej strane Zem vyžaruje infračervené žiarenie, ktoré spôsobuje jej ochladzovanie. Časť tohto žiarenia je však absorbovaná polyatomickými („skleníkovými“) plynmi v atmosfére, ktorá následne zohráva úlohu „prikrývky“, ktorá zadržiava teplo. Zároveň najväčší vplyv na globálne otepľovanie majú také „skleníkové“ plyny ako oxid uhličitý (55 %), freóny a súvisiace plyny (25 %), metán (15 %) atď.

Niektorým zákonom sa budeme venovať na ďalšej strane. Nebude chýbať ani podrobné vysvetlenie, ako dochádza k tepelnému žiareniu cez okno. Popísané budú niektoré faktory ovplyvňujúce prenos tepla sálaním, ako aj problémy so sálaním v reálnom živote.

Infra červená radiácia alebo infračervené lúče, ide o elektromagnetické žiarenie, ktoré zaberá spektrálnu oblasť medzi červeným svetlom (s vlnovou dĺžkou 0,74 mikrónov) a krátkovlnným rádiovým žiarením (1-2 mm).

Objav infračerveného žiarenia nastal v roku 1800.
Anglický vedec W. Herschel zistil, že v získanom spektre Slnka za hranicou červeného svetla (t.j. v neviditeľnej časti spektra) sa teplota teplomera zvyšuje. Teplomer umiestnený za červenou časťou slnečného spektra ukázal zvýšenú teplotu v porovnaní s kontrolnými teplomermi umiestnenými na boku.

Infračervená oblasť spektra sa podľa medzinárodnej klasifikácie delí na:
- blízko IR-A (od 0,7 do 1,4 um);
- priemerná IR-B (1,4 - 3 um);
- ďaleko IR-S (nad 3 mikróny).

Všetky zahriate pevné látky vyžarujú nepretržité infračervené spektrum. To znamená, že žiarenie obsahuje vlny so všetkými frekvenciami bez výnimky a hovoriť o žiarení pri akejkoľvek konkrétnej vlne je zbytočné cvičenie. Zahriata pevná látka vyžaruje žiarenie vo veľmi širokom rozsahu vlnových dĺžok.

Pri nízkych teplotách (pod 400°C) sa žiarenie zohriateho pevného telesa takmer celé nachádza v infračervenej oblasti a takéto teleso sa javí ako tmavé. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje podiel žiarenia vo viditeľnej oblasti a telo sa spočiatku javí ako:

Tmavo červená.............470-650°С

Čerešňovo červená............700°C

Svetločervená...............800°С

Sýto oranžová............900°C

Oranžovo-žltá............1000°С

Svetlo žltá............1100°С

Slamovo žltá...........1150°C

Biela rôznej svietivosti......1200-1400°C

V tomto prípade sa zvyšuje celková energia žiarenia aj energia infračerveného žiarenia. Pri teplotách nad 1000°C začne zohriate teleso vyžarovať ultrafialové žiarenie.

Zákony tepelného žiarenia

Osobitné miesto v teórii tepelného žiarenia zaujíma absolútne čierne teleso (ABB). Tak nazval G. Kirchhoff teleso, ktorého absorpčná kapacita sa rovná jednote pri všetkých frekvenciách a pri všetkých teplotách. Skutočné teleso vždy odráža časť energie žiarenia dopadajúceho naň. Dokonca aj sadze sa približujú vlastnostiam úplne čierneho telesa len v optickej oblasti.

Čierne teleso je referenčným telesom v teórii tepelného žiarenia. A hoci v prírode neexistuje absolútne čierne teleso, je celkom jednoduché implementovať model, pre ktorý sa absorpčná kapacita na všetkých frekvenciách bude zanedbateľne líšiť od jednoty. Nižšie sú uvedené zákony, ktoré platia pre čiernu dieru.

Planckov základný zákon tepelného žiarenia stanovuje závislosť emisivity telesa R od vlnovej dĺžky λ a telesná teplota T.

Závislosť R od vlnovej dĺžky pri konštantnej teplote je znázornená na obrázku. Výkon žiarenia má maximum pri určitej hodnote λ max.

Hoci sa spektrum mení s teplotou, má všeobecné vzory, ktoré nezávisia od T, ak sú vlny vyjadrené v bezrozmernej jednotke λ /λ max. Potom podiel vyžarovanej energie v rôznych oblastiach nezávisí od teploty (podiel v % celkovej energie je znázornený na obrázku). Je užitočné si to zapamätať približne 90 % energie je v spektrálnom intervaleλ /λ max = 0,5 ... 3,0, t.j. od l max /2 do 3 l max.

Wienov vysídlený zákon . Vlnová dĺžka lmax , zodpovedajúca maximálnej spektrálnej hustote emisivity čierneho telesa, nepriamo úmerná teplote: l max = 2,9/Tkde C je konštanta.

zákonŠtefan-Boltzmann. Emisivita čierneho telesa, t.j. celkový výkon žiarenia na jednotku plocha úmerná štvrtej mocnine teploty: R= σT 4, kde σ je Stefanova-Boltzmannova konštanta.

V teórii tepelného žiarenia sa často používa idealizovaný model reálnych telies - koncept „sivého telesa“. Teleso sa nazýva „šedé“, ak je jeho absorpčný koeficient rovnaký pre všetky frekvencie a závisí iba od teploty materiálu a stavu jeho povrchu. V skutočnosti sa skutočné fyzické telo svojimi charakteristikami približuje šedému telu len v úzkom rozsahu frekvencií žiarenia.

Kirchhoffov zákon tepelného žiarenia. Pomer spektrálnej hustoty energetickej svietivosti telesa k jeho monochromatickému absorpčnému koeficientu nezávisí od materiálu telesa (t.j. je rovnaký pre všetky telesá) a rovná sa spektrálnej hustote energetickej svietivosti absolútneho telesa. čierne telo. Táto hodnota je len funkciou teploty a frekvencie žiarenia.

Dôsledky Kirchhoffovho zákona.

Pretože koeficient absorpcie akéhokoľvek telesa je menší ako jedna, emisivita akéhokoľvek telesa pre danú frekvenciu žiarenia je menšia ako emisivita čierneho telesa. Inými slovami, čierne teleso pri akejkoľvek teplote a frekvencii žiarenia je najintenzívnejším zdrojom žiarenia.

Ak teleso neabsorbuje žiarenie v žiadnej oblasti spektra, potom v tejto oblasti spektra nežiari.

Pri danej teplote silnejšie vyžarujú tie sivé telesá, ktoré majú vyšší koeficient absorpcie.

A intenzita žiarenia z vyhrievaného povrchu alebo cez otvor v peci možno určiť podľa vzorca (pri L ≥F 0,5)

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

kde E je intenzita ožiarenia, W/m2; F - plocha žiarenia, m2; l je vzdialenosť od stredu vyžarujúceho povrchu k ožiarenému objektu, m; A = 85 - pre ľudskú kožu a bavlnenú tkaninu; A = 100 - konštantný koeficient pre látku.