Процесс превращения тепловой энергии тела в лучистую называется тепловым излучением. Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.

Тепловое состояние тела характеризуется его температурой. Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, непрерывно излучает лучистую энергию. В зависимости от температуры и состояния поверхности оно испускает то или иное излучение. Большая часть этого излучения при температурах, которые мы умеем получать, лежит в инфракрасной области.

Так, например, если принять всю энергию, излучаемую вакуумной лампой при температуре вольфрамовой нити T = 2500°К, за 100%, то только 7—12% лучистой энергии приходится на энергетическое излучение в видимой части спектра, а остальная часть энергии, за исключением небольших потерь в держателях нити накаливания, излучается в пространство в виде инфракрасных лучей.

Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. Характерной чертой теплового излучения является сплошной спектр.

Интенсивность излучения и спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение. Например, тела, нагретые до высокой температуры, значительную часть энергии испускают в видимом диапазоне, а при комнатной температуре почти вся энергия испускается в инфракрасной части спектра.

Например, при низких температурах, не превышающих 1000 °К, излучаются главным образом инфракрасные лучи и радиоволны. По мере дальнейшего нагревания спектр теплового излучения меняется: во-первых, увеличивается общее количество излучаемой энергии, во-вторых, появляются лучи все более и более коротких длин волн — видимые (от красных до фиолетовых), ультрафиолетовые, рентгеновские и т.д. При каждом данном значении температуры нагретое тело излучает сильнее всего в некоторой области спектра, определяющей видимый цвет объекта. Так, например, при температуре 2000°, как правило, наиболее интенсивно излучаются красные лучи, при 6000° — желто-зеленые, а при более высоких температурах (10 000-20 000°) — голубые, синие и фиолетовые лучи. Однако точное распределение энергии и конкретный вид спектра в общем случае зависят не только от температуры, но и от химического состава и физического состояния светящегося тела.

Излучение абсолютно черного тела. Особую роль играет один частный случай, для которого законы теплового излучения имеют наиболее простой вид. Если излучающее тело полностью изолировать от окружающей среды идеально теплонепроницаемыми стенками, то после того как всюду в его пределах температура станет одинаковой, оно придет в состояние теплового равновесия (термодинамического равновесия). В этом случае его излучение определяется только температурой и называется равновесным. Фактически подобные условия нигде не осуществляются, так как нет идеальных теплоизоляторов. Однако часто встречаются условия, близкие к термодинамическому равновесию, например, когда излучающее тело, скажем, внутренние слои звезды, окружено сильно непрозрачным слоем газа — атмосферой. Тело, находящееся в условиях термодинамического равновесия, называется абсолютно черным: поскольку оно не может терять своей тепловой энергии, при этом оно полностью поглощает всякое излучение.

Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами:

1. Энергетическая светимость тела  — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот, гдеи R_T измеряется в Дж/с·м²=Вт/м². Закон Стефана-Больцмана гласит: энергетическая светимость абсолютно чёрного тела пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры , где постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,671·10^-8 Вт/K⁴·м². При этом максимальная длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно чёрного тела, обратно пропорциональна температуре: - это закон Вина, где b = 2,898·10^-3 м· К - постоянная Вина ( законы Стефана-Больцмана и Вина кроме описания физических процессов используются в астрономии).

2. Спектральная плотность энергетической светимости  — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

3. Поглощающая способность тела —  функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот.

4.Отражающая способность тела  — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот

Вернуться к конспектам урока