Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым.
Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной области спектра.
§ 22.2. Закон Кирхгофа
Между спектральной плотностью энергетической светимости и монохроматическим коэффициентом поглощения тел существует определенная связь, которую можно пояснить на следующем примере.
В замкнутой адиабатной оболочке находятся два разных тела в условиях термодинамического равновесия, при этом их температуры одинаковы. Так как состояние тел не изменяется, то каждое из них излучает и поглощает одинаковую энергию. Спектр излучения каждого тела должен совпадать со спектром электромагнитных волн, поглощаемых им, иначе нарушилось бы термодинамическое равновесие. Это означает, что если одно из тел излучает какие-либо волны, например красные, больше, чем другое, то оно должно больше их и поглощать.
Количественная связь между излучением и поглощением была установлена Г.Кирхгофом в 1859 г.: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных (закон Кирхгофа):
(22.4)
где — спектральная плотность энергетической светимости черного тела (индексы у скобок означают тела 1, 2 и т. д.). Закон Кирхгофа может быть записан и в таком виде:
(22.5)
Отношение спектральной плотности энергетической светимости любого тела к его соответствующему монохроматическому коэффициенту поглощения равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре.
Из (22.5) находим еще одно выражение:
(22.6)
Так как для любого тела (нечерного) , то, как следует из (22.6), спектральная плотность энергетической светимости любого тела меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре. Черное тело при прочих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения.
Из (22.6) видно, что если тело не поглощает какое-либо излучение , то оно его и не излучает
Пользуясь законом Кирхгофа (22.6) и зная из эксперимента спектр излучения черного тела , а также зависимость монохроматического коэффициента поглощения тела от длины волны , можно в соответствии с (22.6) найти спектр излучения тела
§ 22.3. Законы излучения черного тела
Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров излучения для разных температур приведены на рис. 22.2. Из этих экспериментальных кривых можно сделать ряд выводов.
Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.
На основании (22.2) энергетическую светимость черного тела Rе0 можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью абсцисс, или
(22.7)
Из рис. 22.2 видно, что энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания черного тела.
Долгое время не могли получить теоретически зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры, которая отвечала бы эксперименту. В 1900 г. это было сделано М. Планком.
В классической физике испускание и поглощение излучения телом рассматривались как непрерывный волновой процесс. Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволяют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями — квантами. Представляя излучающее тело как совокупность осцилляторов, энергия которых может изменяться лишь на величину, крат ную кванту энергии hv =hc/l , Планк получил формулы
(22.8 а)
(22.8 6)
(h = 6,626176 • 10 -34 Дж • с — постоянная Планка, с — скорость света в вакууме, k— постоянная Больцмана),
которые прекрасно описывают экспериментальные данные, в частности кривые, изображенные на рис. 22.2.
На основании (22.6) и (22.8 а) спектр излучения серого тела может быть выражен зависимостью
(22.9)
где а — коэффициент поглощения серого тела.
Из формулы (22.8) можно получить расчетным путем законы, которые были установлены экспериментально еще до основополагающей работы Планка. Рассчитаем энергетическую светимость черного тела по формуле (22.7) с учетом (22.8):
Произведя замену переменных , запишем
(22.9а)
Без вывода укажем, что . Множитель при Г4 в (22.9а),
состоящий из постоянных величин, равен
(22.10)
Окончательно получаем
(22.11)
Это закон Стефана—Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.Величину а называют постоянной Стефана—Больцмана.
Для серых тел [см. (22.2) и (22.9)] имеем
(22.12)
Закон Стефана—Больцмана можно качественно проиллюстрировать на разных телах (печь, электроплита, металлическая болванка и т. д.): по мере их нагревания ощущается все более интенсивное излучение.
Функция , записанная в виде (22.8 а), имеет экстремум при услввии
(22.13)
Отсюда получаем закон смещения Вина (см.рис. 22.2):
(22.14)
где — длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела, b = = 0,28978 • 10 -2 м • К — постоянная Вина. Этот закон выполняется и для серых тел.
Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-красным светом, а при очень высокой температуре — белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.
Законы Стефана—Больцмана и Вина позволяют, регистрируя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).
§ 22.4. Излучение Солнца. Источники теплового излучения, применяемые для лечебных целей
Наиболее мощным источником теплового излучения, обусловливающим жизнь на Земле, является Солнце.
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 1881;