Законы теплового излучения. Закон Кирхгофа.

Обычно тепловым излучением считают электромагнитные волны, длина волны кото­рых лежит в интервале от одного до нескольких десятков микрон (1 мкм = 10 ^{- 6 м). Эти волны, также как и свет, испускаются атомами в виде отдельных цугов, начальная фаза и поляриза­ция которых изменяются хаотически от одного элементарного акта испускания к другому. Поэтому тепловое излучение является некогерентным,и его закономерности ока-зываются спра­ведливыми для всего диапазона электромагнитных волн.}

Опыт показывает, что тепловое излучение можно охарактеризовать некоторыми па-ра­метрами. Известно,например, что интенсивность излучения зависит от температуры. Дру-гим важным свойством излучения является его спектральный состав, т.е распределение ин-тенсивности по различным частотам. Наиболее общей величиной для характеристики теп-лового излучения может служить поток энергии.Количество энергии, приходящееся на еди- ничный интервал частот, которое испускает единица площади (1м²) нагретого тела назы­ваетсяизлучателыной способностью:

Е _n,Т = d Ф_изл / d n .

Одновременно вводится понятиепоглощательной способности А _n,Т , определяемой как отношение поглощенной энергии к падающей,т.е.А _n,Т = dФ_пог / dФ_пад .Тело, погло-щательная способность которого равна единице.называется абсолютно черным телом.

Между испускательной Е _n,Т и поглощательной А _n,Т способностями существует

Рис.60.Излучение в зам- кнутой полости.

опреде­ленная взаимосвязь. Для установления этой взаимосвязи рассмотрим некую замкнутую полость, вырезанную внутри изолированного от внешних воздейст­вий тела(см.рис.60). Каждый участок поверхности полости излуча­ет и поглощает лучистую энергию.Согласно законам термодина­мики через не-которое время внутри полости наступит равновесие – темпера-тура всех ее частей(и излучения тоже) станет одинаковой. Излучение, находящееся в тепловом равновесии с окружающи-

ми телами,называетсяравновесным.Опыт показывает, что в природе излучение всегда равновесно, т.е.его интенсивность и спектральный состав в точности соответствует темпе-ратуре излучившего его тела.

Существующий между различными участками поверхности тепловой баланс должен выпол­няться для всех каналов теплообмена, т.к. в противном случае можно бы было перекрыв лю­бой из них добиться нарушения равновесия,что противоречит законам термо-динамики.В частности.это значит.что равновесие выполняется для каждого частотного интервала. Выделим внутри полости некоторую площадку S, излучательная способность которой равна Е_n,Т, а поглощательная - А_n,Т , и пусть на эту площадку падает поток энергии dФ_пад.B интервале частот от n до n+ dn площадка излучает поток энергии dФ_изл = Е_n,Т Sdn и поглощает dФ_пог = А_n,ТdФ_пад.В равновесии dФ_изл = dФ_пад. Из этого следует: dФ_пад = dnS .

Заменим теперь площадку S участком поверхности абсолютно черного тела с излучатель-ной способностью e_n,Т .Равновесие от этого нарушится не должно, и поток падающей энер-гии должен сохранить свое значение: dФ_пад = e_n,Т S d n. Сравнивая это выражение с выраже-нием для падающего потока энергии на площадку S, получим:

т.е. отношение испускательной и поглощательной способностей остается постоянным для любого тела.. Другими словами, их отношение есть универсальная функция частоты и температуры.Это положение носит названиезакона Кирхгофа.