Оглавление:
Свойства теплового излучения
- Тепловые лучи во время прохождения пространства раскрывают все особенности волны. Именно поэтому наблюдается явление «интерференции», когда лучи, исходящие из одного источника и проходящие разными путями, снова соединяются. Они также могут быть поляризованы. То есть он может вибрировать только в определенном направлении, проходя через соответствующий фильтр. Это указывает на то, что эти лучи являются поперечными волнами, которые колеблются в направлении, перпендикулярном propagation. In другими словами, он представляет собой электромагнитное поле, которое колеблется.
Их свойства идентичны свойствам других электромагнитных волн, таких как рентгеновские лучи, видимый свет. Свет и волна, используемые для беспроводной связи. Все эти лучи распространяются примерно одинаково speed. In вакуум, скорость всех электромагнитных волн следующим образом: ω= 3-10 см / сек В другой среде скорость немного медленнее, что можно рассчитать по показателю преломления. Где с-скорость рассматриваемой среды. Различные электромагнитные волны отличаются только длиной волны x. 13-1 показывает, как волны классифицируются по их длине. Длины волн этого рисунка измеряются в разных масштабах.
Кинетическая энергия сплошной среды зависит от выбора системы отсчета, а внутренняя энергия — нет. Людмила Фирмаль
Для теплового излучения, маштаб 1 Лос = = 10 ′ ⁴cm удобн. Я. .Молекулярные показания (молекулярный диаметр, расстояние между молекулами), если выражены в ангстремах, имеют порядок 1 .Человеческий глаз чувствителен к световым лучам в диапазоне 0, 40-0, 70 мкм .Излучение нагретого объекта охватывает длину волны 0, 3-10 мкм и более .Видно, что большая часть теплового излучения имеет длину волны, отличную от видимой части .
Этот участок, длина волны которого больше длины волны света, называется инфракрасным .В вакууме в однородной среде излучение распространяется по прямой линии .Однако, когда луч достигает интерфейса между 2 различными средствами массовой информации, он разделен в 2 части .1 часть отражается от поверхности раздела, другая 1 часть проникает во 2-ю среду .
Отражение происходит так, что угол pg между отраженным пучком и нормалью поверхности равен углу pt, образованному той же нормалью, что и падающий пучок, а падающий пучок, отраженный пучок и нормаль границы раздела находятся в одной плоскости (рис .13-2) .Луч, входящий во 2-ю среду, преломляется таким образом, что отношение синуса угла Р *между проходящим лучом и нормалью поверхности к синусу угла Р равно отношению показателя преломления 2-й среды, проходящей через нее до удара о поверхность .Номер раздела .
Законы отражения и преломления справедливы также для Пучков, состоящих из большого количества лучей, отраженных от идеально ровной поверхности .Это отражение называется зеркальным или нормальным .От шероховатой поверхности падающий луч Луча отражается во всех направлениях .Этот тип отражения называется диффузным reflection .In при расчете теплопередачи нас интересует определение количества энергии, передаваемой излучением .АВР — Радио J0⁸#alnb / 1о .— 1O1 * ■ С2 .7 ?И в Ангстреме тоже . 100 4 — / Z7 / — Ю .Да2-10 −4 .Р ?Короткие радиоволны Радиация — ^ Vcdimb / езда ’ультрафиолет’ ^ рентген ’ U-Ray Рисунок 13-2 .
Отражение и преломление луча над поверхностью .Рисунок 13-1 .Различные длины волны электромагнитной волны .Количество энергии, которое несет излучение, не изменяется даже тогда, когда лучи света проходят через вакуум .Если излучение распространяется в другой среде>, то энергия частично поглощается или рассеивается, и поэтому обычно уменьшается в направлении распространения .Поток энергии также увеличивается в направлении лучей, когда молекулы, составляющие эту среду, сами излучают .
Для воздуха и многих других газов поглощение и излучение инфракрасного излучения очень слабо, поэтому в большинстве случаев такие газы можно рассматривать с достаточной аппроксимацией неабсорбируемых и нерадиоактивных сред .Рассмотрим, что происходит с лучистой энергией, которая попадает на интерфейс между двумя средами .Излучение распространяется к границе раздела через среду 1 .Падающий поток энергии в единицу времени на единицу площади поверхности раздела называется падающим излучением или облучением и может быть обозначен через N .часть излучения отражается обратно в среду 1 .
Участок, где происходит отражение излучения в единицу времени на единицу поверхности/ ?/На это указывает/ .R обозначает отношение отраженного излучения к падающему излучению и называется отражательной способностью .Оставшееся излучение проникает в среду 2 через интерфейс .Когда среда 2 поглощает излучение, часть его поглощается .«Размер поглощенной части может быть представлен цифрой а / 7 .Оставшаяся лучистая энергия разряжает среду 2 с ее поверхности .
Эта сумма может быть представлена DH .Где D-отношение передаваемого излучения к падающему излучению, называемое коэффициентом пропускания .Из закона сохранения энергии、 Р — -А- — Г = .(13-1） Параметры R, A и D зависят от структуры этих 2 носителей/, 2 свойств и интерфейсов .Для дальнейшего рассмотрения средой 1 считается воздух .Если заменить воздух другим газом, то эти параметры несколько изменятся в размерах .Твердые и жидкие объекты поглощают почти все инфракрасное излучение, » проникая через поверхность очень тонким слоем .
«Для проводников величина этого слоя составляет около 1 мкм .За редким исключением, непроводник поглощает почти все излучение слоем толщиной около 1, 27 мм[L .243] .Толщина материала, используемого в этой технике, почти всегда больше этих значений, и Формула (13-1) в этом случае может быть упрощена .Р + А = 1 (13-2） Последняя формула справедлива практически для всех твердых веществ и жидкостей в инфракрасной области .
Проще говоря, мы часто говорим, что поверхность поглощения, по сути, поглощение происходит в слое небольшой, но конечной толщины .С другой стороны, было обнаружено, что газы редко отражают излучение, поступающее на границу раздела между газом и воздухом или другим газом .Но они обычно проходят незаметно (даже при достаточно толстом слое излучения .Поэтому, если газ、 Эй .Обычно можно игнорировать (по своей малости и уравнению А + д = л .(13-2а） (Чтобы выразить свои действия в контексте внешнего излучения .При определенной абсолютной температуре большая часть среды становится источником теплового излучения .
- Учитывая, что среда 2 излучает, поток лучистой энергии проходит через переднюю границу раздела 1 в направлении, противоположном падающему излучению . Поток энергии через единицу площади границы раздела сред, которая является единицей времени, производимого излучением, испускаемым из среды 2, называется излучательной способностью и обозначается буквой Е . Закон, описывающий излучение тела, особенно прост, если излучение не отражается от его поверхности (i / ?= 0; A = » 1) .
Такое тело называется полностью черным телом .Это название происходит от того, что поверхность, поглощающая все лучи света, воспринимается глазом как черная .Однако поверхность может поглощать почти все тепловое излучение, не поглощая все лучи, так что на первый взгляд она не кажется черной .Например, побеленные стены становятся почти черными от инфракрасного излучения .Нет абсолютно черной поверхности, потому что всегда отражается определенный процент падающего излучения, но есть поверхность, которая отражает только небольшую часть падающего излучения.
В физике сплошных сред, составной частью которой является неравновесная термодинамика, оперируют полной энергией среды, рассматривая её как сумму кинетической и внутренней энергии среды . Людмила Фирмаль
В случае инфракрасного излучения поверхность практически полностью черная, а поглощающая способность теплового излучения объекта с не слишком высокой температурой составляет 0 .985 .In в природе нет идеальной черной поверхности, но понятие черного тела очень полезно .Законы, управляющие излучением, относительно просты, и, кроме того, эта концепция позволяет доказать, что в природе нет поверхности, которая излучает больше тепла .Чем черный .Таково содержание закона Кирхгофа .Чтобы доказать закон Кирхгофа, рассмотрим пустое пространство (рис .13-3), где температура стенок одинакова .
Пространство, окруженное генами, может быть вакуумом .Стена этой огороженной поверхности излучает Болтать .Это излучение частично отражается, поэтому оно многократно перемещается в указанном пространстве .Поместите небольшое тело 1 в этот объем в виде диска .Если диск достаточно мал, то предполагается, что из-за наличия диска излучение ib на замкнутой поверхности будет изменяться бесконечно слабо .Предположим, что поверхность диска черная, а его температура равна температуре стенки замкнутой поверхности .Количество тепла, которое излучает черное тело/единица поверхности в единицу времени, указывает на это .
Из вышесказанного следует количество тепла, которое быстро падает на поверхность тела .В системе вакуума или теплового равновесия, которая фактически равна единице времени на единицу площади, тело 1 может обмениваться теплом с окружающей средой только посредством излучения .Если количество тепла, которое падает на поверхность тела 1 и поглощается (а = 1), отличается от количества выделяемого тепла, то тело охлаждается или нагревается .Но изменение температуры 13-3 .To вывод закона Кирхгофа .Ry в любом направлении Во втором законе термодинамики это невозможно, и в замкнутой системе перепад температур не возникает естественным образом .Тепловое равновесие .
Изменяя положение и направление черного диска а, легко доказать, что при черной замкнутой поверхности одинаковой температуры излучение, попадающее на поверхность блока, не зависит от положения и направления этой поверхности .Такое излучение называется изотропным .Затем снимите корпус 1 и замените его корпусом 2 .Тело 2 также имеет форму небольшого диска, но оно состоит из материала с коэффициентом поглощения А .лучистая энергия, падающая на поверхность этого тела, равна е .тело поглощает количество энергии Av .Лучистая энергия е тела 2 должна быть одинаковой величины .
Второй закон термодинамики： е = ае .(13-3） Это математическое выражение Кирхгофа law .In другими словами, отношение излучательной способности е любого объекта при той же температуре к излучательной способности е абсолютно черного объекта равно поглощающей способности 1-го объекта .Отношение излучательной способности любого объекта к излучательной способности абсолютного черного тела при той же температуре называется относительной излучательной способностью или степенью черного тела .Закон ки-рхоффа также может быть записан в виде: 8 = а, (13-4） Где A всегда меньше 1 .
Поэтому излучательная способность всех объектов е всегда меньше излучательной способности абсолютно черного объекта при равных температурах .В § 13-2 учитываются ограничения, налагаемые на закон, выраженные в Формуле (13-4) .Источники излучения в природе излучают разные длины волн одновременно .Поэтому расчет обычно имеет дело с излучением с широким диапазоном длин волн .Однако часто приходится учитывать начальное излучение, которое состоит из волн одинаковой длины .Такое излучение называется монохроматическим .
Экспериментально, используя подходящий фильтр, можно получить излучение, которое очень близко к одному цвету .13-3 стены окружают пространство, изображенное на рисунке, давая только определенную длину волны черному излучению .Поэтому формула (13-4) справедлива для монохроматического излучения .Формула (13-4) также справедлива для нескольких излучений .Однако в данном случае это допустимо только при наличии определенных ограничений, о которых пойдет речь ниже .Закон Кирхгофа можно продемонстрировать в следующем простом эксперименте .Чернила или черная краска наносятся на крест из хромированного или никелированного металлического листа .
Поглощающая способность падающего излучения выше, чем у металла, поэтому на фоне металла крест будет выглядеть темным .Однако при нагревании с помощью бунзеновской горелки до тех пор, пока лист не начнет светиться, ткань выглядит ярче фона и излучается Способность краски выше, чем излучательная способность металлов .Это подтверждает закон Кирхгофа .Обширную информацию о свойствах излучения (отражении, поглощении и излучательной способности) различных материалов можно получить из микроскопических представлений, основанных на теории электромагнитных полей Максвелла .
Но для более глубокого знакомства необходимо изучить взаимодействие излучения с веществами в массе, являющейся штаб-квартирой molecules .It оказывается, излучение ведет себя так, как будто состоит из отдельных частиц (фотонов) .Основываясь на электромагнитной теории, Максвелл пришел к выводу, что в 1865 году падающее на поверхность излучение оказывает давление на поверхность .Он рассчитал величину этого давления pg, которое принимает на себя идеальное зеркало (P = 1 поверхность) .П= б ’ (13-5）.
Здесь и находится плотность излучения (количество лучистой энергии, содержащейся в единице объема пространства на поверхности) .Существует интересное сходство между давлением излучения и давлением, которое идеальный газ оказывает на стенки сосуда .Кинетическая теория газа заключается в том, что давление газа Р Где P-плотность газа, а V-средняя скорость молекул .Если предположить, что фотоны (кванты света), содержащиеся в единице объема, имеют массу pg и движутся со скоростью света s, то запишем их так же, как и в случае газа .РГ = 4 РГО .
В результате сравнения 2 уравнений давление излучения выглядит следующим образом:, т . к .уравнение Эйнштейна .Выражает эквивалентность энергии и массы .Из-за этой эквивалентности поле излучения иногда называют «фотонным газом» .Обычно давление излучения очень низкое .Например, солнечная радиация оказывает давление на Землю равное 0, 4, ig / l «2 .Тем не менее в 1901 году Лебедеву удалось экспериментально продемонстрировать это давление .
Смотрите также:
| Испарение | Твердые и жидкие тела |
| Тепловое излучение | Абсолютно черные тела |
