І. Теоретичні відомості. Найрозповсюдженішим у природі видом електромагнітного випромінювання є теплове випромінювання, або випускання

Найрозповсюдженішим у природі видом електромагнітного випромінювання є теплове випромінювання, або випускання. Воно здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів і молекул, тобто за рахунок внутрішньої енергії речовини і тому призводить до охолодження випромінюючого тіла. Теплове випромінювання мають всі тіла при будь - якій температурі, більшій від нуля Кельвіна. Воно має суцільний спектр, однак розподіл енергії в ньому залежить від температури: при низьких температурах – теплове випромінювання є переважно інфрачервоним, при високих – видимим і ультрафіолетовим.

Кожне тіло, випромінюючи, водночас поглинає частину енергії, що випромінюється іншими (оточуючими) тілами. Температура, що відповідає стану теплової (променевої) рівноваги, називається температурою теплової рівноваги.

Енергетична світимість, або повна випускальна здатність R тіла, - відношення енергії, що випромінюється з площі поверхні тіла до тривалості і площі випромінення (Дж/(м²×с). Повна поглинальна здатність А тіла – відношення променистої енергії, поглинутої тілом до всієї падаючої на нього променистої енергії. Спектральною випускальною здатністю R тіла називається енергетична світимість, розрахована для вузького інтервалу довжин хвиль (від ( /2) до ( + /2)). Аналогічно вводиться поняття спектральної поглинальної здатності А . Поглинальна здатність всіх реальних тіл менша від одиниці.

Уявне тіло, що поглинає при будь - якій температурі всю падаючу на нього променисту енергію, називається абсолютно чорним тілом. (Приклад – сажа, А =0,95). Для випромінювання абсолютного чорного тіла характерні такі закони:

Закон Кірхгофа:

Для всіх тіл при даній температурі відношення випускальної здатності до поглинальної є постійна величина, рівна випускальній здатності абсолютно чорного тіла при тій же температурі.

Якщо ізольована система складається з багатьох тіл з випускальними здатностями R^/,R^//,R^///, і поглинальними здатностями А^/, А^//, А^/// і одне з них є абсолютно чорним, то

R^/ /А^/ = R^// /А^// = R^////А^/// = Е/1= Е. На рис.1 представлено графік розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла при Т =1259 К.

Площа, обмежена кривою розподілу і віссю абсцис, становить повну випускальну здатність Е абсолютно чорного тіла при температурі 1259 К, тобто відношення енергії, що випускається з площі його поверхні до часу випромінювання і до величини цієї площі:

Е / * = Е = Е.

З графіка випливає, що при даній температурі максимум випромінювання абсолютно чорного тіла буде при _макс. 2,4 мкм (інфрачервоне випромінювання).

Рис.1. Графік розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла при Т =1259 К.

Закон Віна:

Довжина хвилі, що відповідає максимуму випромінювання абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його абсолютній температурі:

_max T= b,

b = 2,8979 *10^-3м - стала Віна.

Закон Стефана – Больцмана:

Повна випускальна здатність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його термодинамічної температури

Е = Т⁴,

= 5,67 * 10^-8 Вт м^-2К^-4 – стала Стефана – Больцмана.

Для неабсолютно чорного тіла закон Стефана – Больцмана запишемо у вигляді:

Е =а Т⁴,

де а – коефіцієнт поглинання.