Теплове випромінювання тіл, його характеристики

Теплове випромінювання біологічних об’єктів. Термографія.

1. Теплове випромінювання тіл, його характеристики.

2. Терморегуляція в живому організмі.

3. Температурна топографія тіла людини.

4. Інфрачервона термографія.

5. Інфрачервоне випромінювання, його використання у медицині.

6. Ультрафіолетове випромінювання, його використання в медицині

7. Застосування в медицині тепла, холоду (кріомедицина).

Теплове випромінювання тіл, його характеристики.

Потік випромінювання Ф - це середня потужність випромінювання за час, значно більша періоду світлових коливань. У СІ він виражається у ватах (Вт).

Потік випромінювання, що випускається 1 м² поверхні, називають енергетичною світністю Rе. Вона виражається у ватах на квадратний метр (Вт/м²).

Нагріте тіло випромінює електромагнітні хвилі різної довжини хвилі. Виділимо невеликий інтервал довжин хвиль від λ до λ + dλ. Енергетична світність, відповідна цього інтервалу, пропорційно ширині інтервалу:dR_λ = r_λdλ де r_λ - спектральна густина випромінювальної здатності тіла, рівна відношенню енергетичної світимості вузької ділянки спектру до ширини цієї ділянки, Вт/м³.

Здатність тіла поглинати енергію випромінювання характеризують коефіцієнтом поглинання, рівним відношенню потоку випромінювання, поглиненого даним тілом, до потоку випромінювання, падаючого на нього.

Так як коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі, то формулу записують для потоків монохроматичного випромінювання, і тоді це відношення визначає монохроматичний коефіцієнт поглинання:

З формули випливає, що коефіцієнти поглинання можуть приймати значення від 0 до 1. Особливо добре поглинають випромінювання тіла чорного кольору: чорний папір, тканини, оксамит, сажа, платинова чернь і т. п.; погано поглинають тіла з білою поверхнею і дзеркала.

Тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці для всіх довжин хвиль (частот), називають чорним. Воно поглинає все падаюче на нього випромінювання при будь-якій температурі.

Тіло, коефіцієнт поглинання якого менше одиниці і не залежить від довжини хвилі світла, що падає на нього, називають сірим.

Сірих тіл в природі немає, однак деякі тіла в певному інтервалі довжин хвиль випромінюють і поглинають як сірі. Так, наприклад, тіло людини іноді вважають сірим, оскільки воно має коефіцієнт поглинання приблизно 0,9 для інфрачервоної області спектра.

Закон Кірхгофа: при однаковій температурі відношення спектральної густини енергетичної світимості до монохроматичному коефіцієнту поглинання однаково для будь-яких тіл, в тому числі і для чорних

де e_λ — спектральна густина випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла (індекси у дужках означають тіла 1, 2 і т. д.).

Закон Стефана-Больцмана: енергетична світність чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його термодинамічної температури: R_е⁰ = sT⁴

Де

Величину називають постійною Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана можна якісно проілюструвати на різних тілах (піч, електроплита, металева болванка і т. д.): у міру їх нагрівання відчувається все більш інтенсивне випромінювання.

Закон зміщення Віна: λ_m = b/T

де λ_m — довжина хвилі, на яку припадає максимум спектральної щільності енергетичної світності чорного тіла, b = 0,28978·10^-2 м·К – постійна Вина. Цей закон виконується і для сірих тіл.

Прояв закону Вина відомо з буденних спостережень. При кімнатній температурі теплове випромінювання тіл в основному припадає на інфрачервону область та людським оком не сприймається. Якщо температура підвищується, то тіла починають світитися темно-червоним світлом, а при дуже високій температурі - білим з блакитним відтінком, зростає відчуття нагретости тіла.

Закони Стефана-Больцмана і Вина дозволяють, реєструючи випромінювання тіл, визначати їх температури (оптичний пірометр).