Corpurile încălzite emit unde electromagnetice. Această radiație se realizează prin transformarea energiei mișcării termice a particulelor corpului în energie radiativă.
Radiația electromagnetică a unui corp în stare de echilibru termodinamic se numește radiație termică (temperatură). Uneori, radiația termică este înțeleasă nu numai pentru echilibru, ci și pentru radiația de echilibru a corpurilor datorită încălzirii.
O astfel de radiație de echilibru se realizează, de exemplu, dacă corpul radiant se află în interiorul unei cavități închise cu pereți opaci, a căror temperatură este egală cu temperatura corpului.
Sistemul corp izolat termic localizat la aceeași temperatură, schimb de căldură între corpurile prin emisia și absorbția radiației de căldură nu poate duce la perturbarea echilibrului termodinamic al sistemului, cum ar fi contrar, a doua lege a termodinamicii.
Prin urmare, pentru radiația termică a corpurilor, trebuie îndeplinită regula Prevost: dacă două corpuri absorb cantități diferite de energie la aceeași temperatură, atunci radiația lor termică la această temperatură trebuie să fie diferită.
Emisia (emisivitatea) sau densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp se numește cantitatea En, m, egală numeric cu densitatea energetică de suprafață a radiației termice a corpului și cu intervalul de frecvențe ale lățimii unității:
unde dW este energia radiației termice pe unitatea de suprafață a corpului pe unitate de timp în intervalul de frecvență de la v la v + dr.
Emisivitatea lui En, m, este caracteristica spectrală a radiației termice a corpului. Depinde de frecvența v, de temperatura absolută T a corpului, precum și de materialul, forma și starea suprafeței. În sistemul SI, En, m, este măsurat în J / m2.
Absorbanta organism numit valoare monocromatica sau coeficientul de absorbție A n, t arată ce fracție energie dWpad livrată pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață corporală a incidentului unde electromagnetice cu frecvențe de la v la v + dv, absorbit de către organism:
An, m este o cantitate fără dimensiuni. Aceasta depinde, în plus față de frecvența radiațiilor și a temperaturii corpului, de material, formă și stare de suprafață.
Corpul este numit absolut negru dacă, la orice temperatură, absoarbe complet toate undele electromagnetice care apar pe el: An, m negru = 1.
corpuri reale nu sunt complet negre, dar unele dintre proprietățile optice sunt aproape de corpul negru (negru, platină negru, catifea neagră în zona luminii vizibile sunt A n, t, difera putin de la unitate)
Corpul este numit gri dacă absorbția acestuia este aceeași pentru toate frecvențele n și depinde numai de temperatura, materialul și starea suprafeței corpului
Între radiația Em, m și absorbția An și puterile oricărui corp opac, există o relație (legea lui Kirgoff în formă diferențială):
Pentru o frecvență și temperatură arbitrară, raportul dintre emisivitatea capacitatea organismului de a capacității sale de absorbție este aceeași pentru toate organismele și emisivitate egale en, adică un corp negru este o funcție de frecvență și temperatură (funcția Kirchhoff En, m = A n, RTE, m = 0).
Emisivitatea integrala (luminozitatea energiei) a corpului:
este densitatea de suprafață a puterii de radiație termică a corpului, adică energia radiației a tuturor frecvențelor posibile emise de o suprafață unitară a corpului pe unitate de timp.
Emisivitatea integrată eT a unui corp absolut negru:
2. Legile radiației unui corp absolut negru
Legile radiației corpului negru stabilesc dependența eT și e n, T asupra frecvenței și temperaturii.
Legea lui Cmefan-Boltzmap:
valoare - constanta universală a lui Stefan-Boltzmann, egală cu 5,67 -10-8 W / m2 * deg4.
Distribuția energiei în spectrul de emisie a unui corp absolut negru, adică dependența en, T, asupra frecvenței la temperaturi diferite, are forma prezentată în figură:
unde c este viteza luminii în vid și f (v / T) este funcția universală a raportului dintre frecvența radiației unui corp absolut negru și temperatura sa.
Frecvența radiației nmax, care corespunde valorii maxime de emisivitate en, T a unui corp absolut negru, conform legii Wien este
unde b1 este o constantă în funcție de forma funcției f (n / T).
Legea prejudecății Buena: frecvența corespunzătoare valorii maxime a emisivității en, T a unui corp absolut negru este direct proporțională cu temperatura absolută.
Din punct de vedere energetic, radiația neagră este echivalentă cu emisia unui sistem de un număr infinit de mari de oscilatoare armonice care nu interacționează, numite oscilatoare de radiație. În cazul în care # 949; (# 957;) este energia medie a oscilatorului de radiație cu frecvență naturală # 957; atunci
Conform legii clasice privind distribuirea uniformă a energiei în grade de libertate # 949; (# 957;) = kT, unde k este constanta Boltzmann și
Această relație se numește formula Rayleigh-Jeans. La frecvențe înalte, aceasta duce la o divergență puternică din experiența, numită „ultra-violete catastrofă: ro, T crește monoton cu creșterea frecvenței, cu nici un maxim, iar corpuluinegru emisivitate integrală devine infinit.
Motivul pentru dificultățile menționate mai sus întâlnite în găsirea forma funcției Kirchhoff en, T, asociat cu unul dintre principiile fundamentale ale fizicii clasice, potrivit căruia energia oricărui sistem poate fi modificat în mod continuu, de ex., E. poate lua orice valoare în mod arbitrar aproape.
Conform teoriei cuantice a lui Planck, energia unui oscilator de radiație cu o frecvență naturală v poate lua numai anumite valori discrete (cuantificate), care diferă printr-un număr întreg de porțiuni elementare - cuantele de energie:
h = 6, 625-10-34 J * sec - constanta Planck (cuantumul de acțiune). Prin urmare, trebuie să aibă loc emisia și absorbția energiei radiante particule ale corpului (atomi, molecule sau ioni) schimbul de energie cu oscilatoare de radiații, nu în mod continuu, dar discret - porțiuni separate (cuante).
Termenul a fost introdus de Gustav Kirchhoff în 1862.
Studiul legilor radiației unui corp absolut negru a fost una dintre premisele pentru apariția mecanicii cuantice. O încercare de a descrie emisia unui corp absolut negru din principiile clasice ale termodinamicii și electrodinamicii conduce la legea Rayleigh-Jeans.
În practică, o astfel de lege ar însemna imposibilitatea unui echilibru termodinamic între materie și radiație, deoarece în conformitate cu aceasta, toată energia termică ar trebui să treacă în energia radiației din regiunea de lungime de undă scurtă a spectrului. Un astfel de fenomen ipotetic a fost numit o catastrofă ultravioletă.
Cu toate acestea, legea radiației Rayleigh-Jeans este valabilă pentru regiunea lungă a spectrului și descrie în mod adecvat natura radiației. Pentru a explica faptul că o astfel de corespondență este posibilă numai cu utilizarea metodei cuantice-mecanice, conform căreia radiația are loc discret. Plecând de la legile cuantice se poate obține formula lui Planck, care va coincide cu Formula Rayleigh-Jeans.
Acest fapt este o ilustrare excelentă a funcționării principiului corespondenței, conform căruia o nouă teorie fizică ar trebui să explice tot ce poate explica vechiul.
Intensitatea emisiei unui corp absolut negru în funcție de temperatură și frecvență este determinată de legea lui Planck.
Energia totală a radiației termice este determinată de legea lui Stefan-Boltzmann. Astfel, un corp absolut negru la T = 100 K emite 5,67 wați pe metru pătrat de suprafață. La o temperatură de 1000 K, puterea de radiație crește la 56,7 kilowați pe metru pătrat.
Lungimea de undă la care energia radiativă a unui corp absolut negru este maximă este determinată de legea Winn displacement. Astfel, presupunând o primă aproximație că aproape pielea umană în proprietăți corp total la negru, maxim spectru de emisie, la o temperatură de 36 ° C (309 K) se află la o lungime de undă de 9400 nm (în regiunea infraroșu).
Radiație electromagnetică, care este în echilibru termodinamic, cu un corp complet negru la o temperatură dată (de exemplu, radiația în interiorul cavității într-un corp absolut negru) este numit corpuluinegru (sau un echilibru termic) radiații. Equilibrium radiație termică omogenă, izotrop și nepolarizată, transferul de energie îi lipsesc toate caracteristicile sale depind numai de temperatura corpului emițător corpuluinegru (și, ca radiația corp negru este în echilibru termic cu corpul, această temperatură poate fi atribuită la radiații).
Foarte aproape în proprietățile sale la așa-numita radiație corpului negru fundal sau fundalul de microunde cosmice - radiația care umple Universul cu aproximativ 3 temperatură K.
Tabel de culori pentru radiația corpului negru *:
Intervalul de temperatură în Kelvin
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: