Теоретичні відомості. Характер теплового випромінювання

Характер теплового випромінювання. Потік світлової енергії, який падає на поверхню непрозорого тіла, частково відбивається, частково входить у середину тіла і поглинається. Поглинута тілом енергія перетворюється в інші форми енергії, найчастіше в енергію теплового руху. Тому тіла, що поглинають промені, нагріваються. Тіло, нагріте до температури більшої, ніж температура навколишнього середовища, віддає теплоту у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини (неперервний спектр). Таке випромінювання називається тепловим (температурним). Будь-яке випромінювання супроводжується втратою енергії і проходить або за рахунок внутрішньої енергії, або за рахунок одержання енергії ззовні. Отже, випромінювання нагрітими тілами електромагнітних хвиль за рахунок їхньої внутрішньої енергії називається тепловим.

Основні характеристики теплового випромінювання. Інтенсивність і спектральний склад теплового випромінювання визначається температурою тіла, його складом і станом. Основними характеристиками теплового випромінювання є:

– спектральна випромінювальна здатність, яка дорівнює відношенню потоку випромінювання поверхні світного тіла у частотному інтервалі між та до ширини цього інтервалу:

Іншими словами, спектральна випромінювальна здатність – це енергія яка випромінюється за одиницю часу одиницею площі поверхні тіла в одиничному інтервалі частот. Якщо спектральна ділянка визначена у довжинах хвиль, то

– спектральна поглинальна здатність – величина, яка дорівнює відношенню поглинутого тілом світлового потоку до падаючого у тому самому частотному інтервалі:

– загальна (інтегральна) випромінювальна здатність тіла – повна енергія, яка випромінюється за одиницю часу одиницею площі поверхні у всьому інтервалі довжин хвиль:

– загальна (інтегральна) поглинальна здатність тіла.

Стаціонарне теплове випромінювання, яке відбувається всередині теплоізольованої системи тіл (що обмінюються енергією тільки через теплове випромінювання), веде до стану динамічної рівноваги між тілом і електромагнітним полем: скільки тіло випромінює енергії – стільки ж і поглинає.

Нехай із усієї падаючої на тіло світлової енергії в інтервалі довжин хвиль ) частина енергії поглинається тілом , частина енергії відбивається . Згідно закону збереження енергії:

Розділивши ліву і праву частини рівності на , отримаємо:

Величина

називається поглинаючою здатністю тіла. Поглинаюча здатність тіла є безрозмірна величина, яка показує, яку частину падаючого випромінювання в інтервалі тіло поглинає. Величина

називається відбивною здатністю тіла. Відбивна здатність – безрозмірна величина, яка показує, яку частину падаючого випромінювання і інтервалі тіло відбиває.

Тіло, яке поглинає усе падаюче на нього випромінювання довільної довжини хвилі при будь-якій температурі, називається абсолютно чорнимтілом. Для абсолютно чорних тіл і для усіх довжин хвиль та температур. У природі не існує тіл, які збігаються за своїми властивостями з абсолютно чорними. Але можна знайти тіла, близькі за своїми властивостями до абсолютно чорних тіл (сажа, чорний бархат). Сильні поглинальні властивості вказаних матеріалів пояснюються їх пористістю. При падінні випромінювання на ці матеріали відбувається багаторазове відбивання у численних складках і порах. При кожному відбивані частина енергії випромінювання поглинається і у кінцевому випадку інтенсивність випромінювання, яке вийшло з товщі матеріалу, практично залишається рівною нулю. Маленький отвір на поверхні сферичної порожнини (рис. 1) з ідеально відбивними стінками, непрозорими для електромагнітних хвиль, веде себе як абсолютно чорне тіло.

Рисунок 1 – Модель абсолютно чорного тіла: маленький отвір на поверхні сферичної порожнини.

Насправді якщо на поверхні стінок порожнини відкрити отвір розміром менше діаметра порожнини, то випромінювання яке увійшло у порожнину багаторазово відбивається і розсіюється на внутрішній поверхні стінок, у результаті чого падаюче випромінювання усіх довжин хвиль “ повністю поглинається ”.