Тепловое излучение

1.

ТЕПЛОВОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ

2.

Тепловое излучение – это
электромагнитное
излучение нагретых тел.

3.

Свойства:
• Происходит за счет внутренней
энергии тела.
• Имеет сплошной спектр.
• Является одним из трех элементарных видов переноса тепла
(еще теплопроводность и конвекция).
• Является равновесным
3

4.

5.

Характеристики теплового излучения
1) Интегральная энергетическая
светимость RТ.
Равна мощности излучения,
испускаемого телом с единицы
площади.
Вт
м 2

6.

На разных частотах мощность
излучения неодинакова.
Распределение мощности по
частотам зависит от
температуры.

7.

2) Спектральная энергетическая светимость
(излучательная способность) rν,Т.
Равна мощности излучения, испускаемого телом с единицы площади в
единичном интервале частот.
r ,T
изл
, d
dP
d
Дж
м2

8.

или в единичном интервале длин волн
r ,T
изл
, d
dP
d
Вт
м3
Связь спектральных светимостей:
r ,T
с
2
r ,T

9.

Связь интегральной и
спектральной светимости:
RT r ,T d
0
или
RT r ,T d
0

10.

Интегральная светимость равна площади
под кривой спектральной светимости.

11.

3) Спектральная поглощательная
способность aν,T.
Равна доле поглощаемого излучения.
a ,T
погл
d
пад
d
dP
dP

12.

Тело, которое полностью
поглощает падающее на него
излучение любой частоты,
называют абсолютно чёрным.
Для такого тела
a ,T aч 1

13.

Тело, для которого
поглощательная способность
меньше единицы и не зависит от
частоты, называют серым.
Для такого тела
a ,T aс 1

14.

15. Модель абсолютно черного тела (АЧТ)

16.

Законы теплового излучения
1) Закон Кирхгофа: отношение
спектральной светимости к
спектральной поглощательной
способности есть универсальная
функция Кирхгофа f ( ,T ), не
зависящая от вида тела.
r ,T
a ,T
f ( , T )

17.

Применим этот закон для АЧТ:
ч
r ,T
ч
a ,T
ч
r ,T
1
= f ( , T )
Отсюда видим, что
f ( , T ) r ,T
ч

18.

Закон Кирхгофа:
Следствия:
r ,T
a ,T
r
ч
,T
1) Если тело не поглощает излучение
каких-то частот, то оно его и не
излучает (т. к. a ,T 0, то r ,T 0 ).
2) При одинаковой температуре светимость АЧТ больше светимости любого
другого тела.

19.

Возьмем серое тело. Применим з. Кирхгофа.
с
r ,T
с
a ,T
ч
r ,T ,
с
ч
r ,T a r ,T
r
d
a
,
T
с
с
с
0
r
d
,
T
ч
0
с
с
ч
RТ a RТ
с
с
ч
т. к. a 1, то RТ RТ

20.

2) Закон Стефана-Больцмана:
энергетическая светимость АЧТ
пропорциональна четвертой
степени температуры.
RT T
4
- постоянная Стефана-Больцмана,
5,67 10
8
Вт
2
4
м К

21.

3) Законы Вина
Закон смещения Вина
Длина волны, соответствующая
максимальной спектральной плотности
энергетической светимости обратно
пропорциональна температуре.
max
b
T
b – постоянная Вина, b 2, 9 10
3
м К

22.

23. Таблица цветности излучения АЧТ

Таблица цветности излучения абсолютно чёрного тела[1]
Температурный интервал в Кельвинах
Цвет
до 1000
Красный
1000—1500
Оранжевый
1500—2000
Жёлтый
2000—4000
Бледно-жёлтый
4000—5500
Желтовато-белый
5500—7000
Чисто белый
7000—9000
Голубовато-белый
9000—15000
Бело-голубой
15000—∞
23
Голубой

24.

Второй закон Вина
max
,T
r
b2T
b2 1, 3 10
5
5
Вт
3
5
м К

25.

Теории теплового излучения
1. Классическая теория Рэлея-Джинса
Рассматривалось равновесное тепловое
излучение в полости
на основе термодинамического подхода.

26.

Положения теории:
•равновесное тепловое излучение в
полости представляет собой систему
стоячих электромагнитных волн;
•на каждое электромагнитное
колебание приходится в среднем
энергия < > = kT.

27. Формула Релея-Джинса:

2
2
2 2 kT
c
c
2
r ,T
2

28. “Ультрафиолетовая катастрофа”

При малых длинах волн формула
Релея — Джинса дает увеличение
спектральной светимости до
бесконечности. Также
0
0
RT r ,T d
2
2
kTd
kT .
2
2
c
3c
0
2
3
Согласие с опытом есть только
для длинных волн.

29.

2. Квантовая гипотеза Планка
Планк предположил, что
электромагнитное излучение
испускается и поглощается
дискретными порциями энергии
— квантами электромагнитного
поля (фотонами).

30.

Энергия кванта:
h h
h постоянная Планка
с
34
h 6,625 10 Дж с
Или
h
приведенная постоянная Планка.
2

31. Формула Планка

h
1
2 2 h
c e kT 1
3
r ,T
Хорошо согласуется с опытом.
Позволяет получить законы
теплового излучения и вычислить
содержащиеся в них константы.

32.

Оптическая пирометрия
Это совокупность методов
определения температуры тела
по его излучению.
Методы пирометрии не требуют
контакта аппаратуры с исследуемым
телом, позволяют измерять высокие
температуры и температуры
удаленных тел.

33.

температура
радиационная
яркостная
цветовая

34. Радиационная температура  это такая температура АЧТ, при которой его интегральная энергетическая светимость равна светимости

Радиационная температура это
такая температура АЧТ, при которой
его интегральная энергетическая
светимость равна светимости
исследуемого тела.
Тр
4
RT

35. Яркостная температура  это такая температура АЧТ, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность

Яркостная температура это
такая температура АЧТ, при
которой для определенной
длины волны его спектральная
плотность излучения равна
спектральной плотности
излучения исследуемого тела.

36. Цветовая температура  это такая температура АЧТ, при которой отношение энергетических яркостей для двух длин волн его спектра

Цветовая температура это
такая температура АЧТ, при
которой отношение
энергетических яркостей для
двух длин волн его спектра
равно отношению этих же
величин для спектра
исследуемого источника света.

37.

При этой температуре АЧТ
испускает излучение с той же
хроматичностью (цветностью), что
и рассматриваемое тело.
Характеризует видимый цвет
источника.
Тц
b
max

38.

Сравнительная
шкала цветовых
температур

39. Шкала цветовых температур

• 800 К — начало видимого темно-красного свечения
раскалённых тел
• 2000 К — свет пламени свечи
• 2360 К — вакуумная лампа накаливания
• 2800—2854 К — газонаполненная лампа накаливания
• 3200—3250 К — типичные киносъёмочные лампы
• 5500 К — прямой солнечный дневной свет
• 6500 К — стандартный источник дневного белого света
• 7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного
света от чистого голубого неба

40. Схема пирометра с исчезающей нитью

1- источник излучения, 2 - оптическая система,
3 – эталонная лампа накаливания, 4 –фильтр с
узкой полосой пропускания, 5 – объектив,
6 – реостат, 7 - миллиамперметр

41. Пирометр

42. Применение пирометров

43. Тепловизор