Законы теплового излучения

Закон Кирхгофа. Установлена количественная связь между излучением и поглощением: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для тел, в том числе и черных.

(4.5)

где ε_λ – спектральная плотность энергетической светимости черного тела.

Черное тело при прочих равных условиях является наибольшим источником теплового излучения.

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

Энергетическая совместимость черного тела определяется следующим образом (рис 4.1)

R_e = (4.6)

Рис 4.1. Зависимость энергетической светимости черного тела от длины волны.

Из рисунка видно, что энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания черного тела. В классической физике испускание и поглощение телом рассматривают как непрерывный процесс. Но Планк высказал гипотезу, что черное тело излучает и поглощает энергию определенными дискретными порциями – квантами.

(4.7)

или

(4.8)

где h – постоянная Планка; с – скорость света; k – постоянная Больцмана.

Излучение серого тела:

(4.9)

где α – коэффициент поглощения света.

С учетом расчетов энергетическая светимость черного тела R_e=σ (Закон Больцмана).

Функция ε_λ имеет экстремум при условии dε_λ/dλ = 0 =>

λ_max=β/r (закон смещения Вина) (4.10)

λ_max – длина волны на которую приходиться максимум спиральной плотности энергетической светимости черного тела; β = 0,28978·10^–2 м·К – постоянная Вина. Этот закон выполняется и для серых тел.

Теплоотдача организма. Понятие о термографии. Тело человека имеет определенную температуру благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения). Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15–20 % теплоотдача человека осуществляется конвекцией.

Испарение происходит с поверхности кожи и легких, при этом имеет место около 30% теплопотерь.

Наибольшая теплопотеря (50%) приходится на излучение во внешнюю среду от открытых частей тела и одежды. Основная часть этого излучения относится к инфракрасному диапазону с длинной волны от 4 до 50 мкм.

Для вычисления этих потерь сделаем два допущения:

1. Излучаемые тела (кожа человека, ткань одежды) примем за серые. Назовем произведение коэффициента поглощения на постоянную Стефана – Больцмана:

δ=ασ (4.11)

приведенным коэффициентом излучения.

Тогда:

R_e=δT⁴ (4.12)

2. Применим закон Стефана – Больцмана к неравновесному излучению. Пусть, Т₁ – температура тела раздетого человека, Т₀ – комнатная температура в которой находится человек, тогда потери излучением могут быть вычислены следующим образом. Мощность излучения человека со всей открытой поверхности тела площадью S:

Р₁=SδT⁴₁ (4.13)

Одновременно человек поглощает часть излучения, попадающего от предметов комнаты, стен, потолка и т. п. Если бы Т₁=Т₀, то излучаемая и поглощаемая мощность излучения были бы одинаковы и равны

P₀=SδT⁴₀ (4.14)

Такая же мощность будет поглощаться телом человека и при других температурах поверхности тела, следовательно, мощность, теряемая человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения:

P=P₁– P₀= Sδ(T⁴₁– T⁴₀) (4.15)

Для одетого человека под Т₁ следует понимать температуру поверхности одежды. Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами.

Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры является диагностическим методом. Такой метод называют термографией.

Инфракрасное, ультрафиолетовое излучение в медицине. Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света и коротковолновым радиоизлучением, называют инфракрасным (ИК).

Инфракрасные волны являются естественными, безопасными волнами выделяемыми любым теплым объектом. Благодаря точно сконструированным излучателям, эти волны могут проникать в тело человека на значительную глубину. Именно такое глубокое проникновение инфракрасных волн передает организму тепловую энергию и улучшает состояние, не нанося вреда пользователю.

Инфракрасные волны - это просто способ передачи тепловой энергии от одного объекта к другому. Поскольку воздействие их на прозрачные объекты минимально, воздух в кабине сильно не нагревается (чтобы убедиться в этом, потрогайте в яркий солнечный день стекло окна, через которое светит солнце - оно всегда остается прохладным). Инфракрасные волны не имеют ничего общего с потенциально опасным ультрафиолетовым излучением.

Проникновение инфракрасных волн в глубину тела прогревает ткани, органы, мышцы, кости и суставы и ускоряет поток крови и лимфы. Возрастающая кровяная циркуляция в мускулах увеличивает метаболический обмен, который в свою очередь улучшает питание мышц, резко повышает снабжение тканей кислородом. Ускорение циркуляции лимфы ведет к повышению иммунитета, способствует профилактике заболеваний, связанных с застоем лимфы, например, целлюлита. Прогрев тканей тела вызывает естественную реакцию потоотделения.

.

Поиск по сайту: