Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа

Ответ: § 1 Тепловое излучение и люминесценция. Излучение телами электромагнитных волн света (свечение тел) может осуществляться за счёт различных видов энергии. Испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергий тел называется тепловым излучением. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой), называется люминесценцией. В зависимости от природы излучения энергии различают следующие виды люминесценция: 1)хемилюминесценция - излучение энергии за счет химических реакций (например, окисление фосфора на воздухе - в часах, елочных игрушках и т.д.); 2)катодолюминесценция - свечение твердых тел при бомбардировке их электронами (ЭЛТ – электронно-лучевая трубка в осциллографах, кинескоп телевизора и т.д.); 3)электролюминесценция - свечение в твердых телах под воз­действием электрического поля (неоновые лампы, лампы дневного света, ртутные лампы; дуговой разряд; светодиод и т.д.); 4)фотолюминесценция - свечение при поглощении падающего на тело электромагнитного излучения (дорожные знаки); 5)сцинтилляция - свечение в результате поглощения ионизирующего излучения (сцинтилляционные детекторы). Люминесценция, которая срезу прекращается при окончании действия возбудителя свечения, называется флуоресценцией, а продолжающаяся в течение длительного времени после прекращения действия возбудителя свече­ния - фосфоресценцией. Тепловое излучение это электромагнитное излучение, возбуждаемое за счет энергии движения атомов и молекул (внутренней энергии тел). Тепловое излучение свойственно всем телам при температурах выше абсолютного нуля. Т=0 К=-273,15 °С.

1-тело;

2 - термостат.

W_погл = W_изл - равновесность теплового излучения.

Тепловое излучение является равновесным, то есть энергия, которая под­водится к телу и испускается телом, равны. Если излучающее тело не получает энергии (теплоты) из вне, то оно охлаждается. Тепловое излучение подверже­но саморегулированию. Предположим, что тело излучает больше энергии, чем поглощает. В результате этого его внутренняя энергия уменьшается, следова­тельно, температура тела понижается, соответственно, интенсивность излучения падает, и так будет происходить до тех пор, пока начнется равновесный процесс, при котором W_изл = W_погл. Процессы, связанные с установлением равновесного теплового излучения объясняются зависимостью интенсивности теплового излучения тела от его температуры. При низких температурах тела излучают невидимые инфракрасные волны. При высоких - крас­ное свечение. Раскаленные тела дают белое свечение. Из всех видов излучения равновесным может быть только тепловое из­лучение. К равновесным процессам применимы законы термодинамики, поэтому тепловое из­лучение может быть описано с использованием законов рав­новесной термодинамики.

§2 Лучеиспускательная способность Коэффициент поглощения. Абсолютно черное тело:

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости - лучеиспуска­тельная способность (r_ν,T) - определяет количество энергии, излучаемой с единицы площади поверхности излучающего тела за единицу времени в еди­ничном интервале частот от ν до ν + dν:

(1)

[ r_ν,T ] = Дж/м², где r_ν,T - является функцией частоты и температуры. Используется также за­пись r_λ,T - функция длины волны и температуры. Найдем связь между ними. Из (1) следует: Так как λ = с/ ν, следовательно: где с - скорость света, равная 3·10⁸ м/с, . Второй характеристикой теплового излучения является поглощающая способность - а_ν,Т, которая также является функцией частоты и температуры. Поглощающая способность а_ν,Т (или коэффициент поглощения) показыва­ет, какая часть энергии падающей за единицу времени на единицу плоской по­верхности данного тела, поглощается. а_ν,Т ≤ 1, [а_ν,Т] = l (безразмерная величина). Тело, коэффициент поглощения которого равен 1, называется абсолютно черным телом (а.ч.т.). Абсолютно черное тело способно поглощать полностью при любой температуре всё падающее на тело излучение любой частоты. Абсолютно черного тела в природе нет, однако сажа, черный бархат, зрачок глаза в определенном интервале частот по своим свойствам близки к аб­солютно черному телу. Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием. Луч света в полости в результате многократных отражений от стенок полностью

поглощается. Чем меньше величина отверстия, тем меньше интенсивность выходящего света, тем ближе коэффициент поглощения к 1. Примером такой полости может быть зрачок глаза. Тело с полостью - пример абсолютно черного тела (а_ν,Т =1). Если а_ν,Т < 1 и при этом а_ν,Т = const, то тело явля­ется серым.

§ 3 Закон. Кирхгофа: Кирхгоф в 1855 году установил закон, согласно которому, отношение лу­чеиспускательной способности данного тела к поглощающей способности есть величина, не зависящая от природы тела, является для всех тел универ­сальной функцией частоты (длины волны) и температуры, равная лучеиспуска­тельной способности абсолютно черного тела. Следствие закона Кирхгофа:

1)Так как для любого тела а_ν,Т < 1, то из закона Кирхгофа следует, что лучеиспускательная способность любого тела r _ν,Т < r _{ν,Т а.ч.т.}: r _ν,Т = a _ν,Т · r _{ν,Т а.ч.т.} 2)Если, тело не поглощает электромагнитное излучение какай-то частоты ν, то есть a _ν,Т = 0, то оно его и не излучает, так как r _ν,Т= a _ν,Т · r _{ν,Т а.ч.т.} = 0. Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение. Излучение, кото­рое не подчиняется закону Кирхгофа, не является тепловым - критерий теплового излучения. Закон Кирхгофа можно получить, рассматривая равновесное тепловое из­лучение. Пусть даны две пластины, изолированные от внешней среды. При этом пластика А является а.ч.т. А и В находятся в условиях термодинамического равновесия. dW_погл = a _ν,Т dW_пад

dW_пад = dW_изл, так как наблюдается термодинамическое равновесие. dW_{пад В} = dW_{изл А} = r _{ν,Т а.ч.т.} dν;

dW_{погл B} = a _ν,Т dW_{пад B} = a _ν,Т r _{ν,Т а.ч.т.} dν= dW_{изл B} = r _ν,Т dν

r _ν,Т = a _ν,Т · r _{ν,Т а.ч.т.}, следовательно, r _ν,Т / a _ν,Т = r _{ν,Т а.ч.т}

Ввиду того, что поверхность В выбрана совершенно произвольно, полу­ченный результат будет справедлив в случае любой поверхности.

Поиск по сайту: