Тепловое излучение сопровождает нас повсюду, но мало кто задумывается о его природе и законах. А ведь понимание этого феномена позволяет не только удовлетворить научное любопытство, но и использовать тепловое излучение с максимальной пользой. Данная статья приоткроет завесу тайны над этим удивительным явлением природы. Читатель познакомится с основными характеристиками теплового излучения, закономерностями его возникновения и распространения. Мы рассмотрим способы практического применения знаний о тепловом излучении в медицине, технике, метеорологии. Приглашаем вас в увлекательное путешествие в мир теплового излучения!
1. Основные характеристики теплового излучения
Тепловое излучение характеризуется несколькими ключевыми параметрами. Рассмотрим их подробнее:
- Поток излучения (Ф) - энергия в виде теплового излучения, испускаемая за единицу времени со всей поверхности тела. Это фактически мощность теплового излучения, единица измерения - Вт.
- Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого с единичной поверхности нагретого тела за единицу времени. Измеряется в Вт/м2.
- Спектральная плотность энергетической светимости (r) - энергия теплового излучения в узком интервале длин волн, отнесенная к ширине этого интервала. Характеризует спектральный состав излучения.
Все перечисленные характеристики зависят от температуры тела и его свойств.
2. Коэффициент поглощения и поглощательная способность
Рассмотрим что происходит, когда на поверхность некоего тела попадет поток монохроматического излучения. Часть этого потока будет отражена, часть пройдет сквозь тело, а часть поглотится.
Коэффициент поглощения (α) численно равен отношению поглощенной телом энергии к энергии падающего излучения:
α = дФпогл/дФпад
Где дФпогл - поглощенный поток, дФпад - падающий поток. Коэффициент поглощения измеряется в относительных единицах от 0 до 1.
Поглощательная способность тела - это зависимость коэффициента поглощения от длины волны и температуры: α = α(λ,T). Вид этой функции может быть весьма сложным.
Существуют некоторые идеализированные модели поглощения. К примеру, для абсолютно черного тела коэффициент поглощения равен 1 независимо от длины волны и температуры. А для абсолютно белого тела коэффициент поглощения во всех случаях равен нулю.
3. Закон Кирхгофа
В 1859 году немецкий физик Густав Кирхгоф установил количественную связь между излучением и поглощением тела. Согласно закону Кирхгофа:
Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела.
Математически это выражается так:
r / α = const
Где r - испускательная способность тела, α - поглощательная способность.
Из этого закона следует, что если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Этот результат широко используется на практике, в частности при создании светофильтров.
4. Законы излучения абсолютно черного тела
Для описания теплового излучения часто используется модель абсолютно черного тела (АЧТ). Это идеализированное тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение, коэффициент поглощения равен 1.
АЧТ подчиняется нескольким важным законам:
- Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна 4-й степени абсолютной температуры.
- Закон Вина. С ростом температуры АЧТ максимум спектральной плотности его излучения смещается в область меньших длин волн.
- Формула Планка. Устанавливает точную количественную зависимость спектральной плотности излучения АЧТ от длины волны и температуры.
На основе этих законов можно рассчитать любые характеристики теплового излучения для абсолютно черного тела. А затем, используя закон Кирхгофа, перейти к реальным телам.
5. Солнечное излучение
Одним из важнейших примеров теплового излучения в природе является излучение Солнца. На границе земной атмосферы спектр солнечного излучения близок к спектру абсолютно черного тела с максимумом в синей области видимого диапазона. Общая мощность потока солнечного излучения характеризуется так называемой солнечной постоянной.
Однако внутри атмосферы спектр солнечного излучения существенно изменяется из-за поглощения и рассеяния в газах и аэрозолях. Атмосфера наиболее прозрачна в "окнах прозрачности" - определенных спектральных диапазонах.
6. Тепловое излучение человека и живых организмов
Любые тела с температурой выше абсолютного нуля излучают в инфракрасном диапазоне, в том числе и живые организмы. Тепловое излучение человека можно использовать в медицинской диагностике для обнаружения воспалительных процессов, опухолей и других отклонений.
Кроме того, на живые организмы влияет внешнее тепловое и инфракрасное излучение. Оно может оказывать как полезные терапевтические эффекты, ускоряя обмен веществ, так и разрушительное действие при чрезмерном облучении.
7. Ультрафиолетовое излучение и его биологическое действие
Еще одним важным видом электромагнитного излучения, тесно связанным с тепловым, является ультрафиолет. По длине волны ультрафиолет делится на три диапазона: А, В и С. Источниками ультрафиолетового излучения служат как естественные природные объекты (Солнце), так и искусственные устройства - различные типы ультрафиолетовых ламп.
Ультрафиолетовое облучение в малых дозах полезно для человека и других живых организмов, стимулируя синтез витамина D и другие процессы. Однако при чрезмерных дозах возможно разрушительное действие излучения, ожоги и рак кожи.
8. Применение законов теплового излучения в технике
Знание законов и характеристик теплового излучения крайне важно при конструировании и расчете тепловых режимов различных технических устройств - от элементов радиоэлектронной аппаратуры до промышленных печей и космической техники.
С помощью тепловой ИК-радиометрии можно дистанционно измерять температуру поверхностей и даже оценивать теплопотери зданий для повышения энергоэффективности.
9. Прогнозирование погоды по тепловому излучению
Благодаря приборам - актинометрам и пиранометрам можно непрерывно регистрировать тепловой поток от земной поверхности и облаков. Анализ этих данных используется метеорологами для прогнозирования погодных условий.
К примеру, увеличение ИК-излучения облаков свидетельствует об их уплотнении и может предвещать скорые осадки. Аномалии теплового потока от почвы - предвестники заморозков или оттепелей.
10. Применение ИК-термографии в медицине
Одним из медицинских применений регистрации инфракрасного излучения живых организмов является ИК-термография. Этот метод позволяет на расстоянии определять распределение температуры на поверхности тела с точностью около 0,1°C.
ИК-термография широко используется для диагностики воспалительных заболеваний, онкологии, в ангиологии, при изучении центральной нервной системы и т.д. В частности, зоны с повышенной температурой могут указывать на развитие опухолей или воспалительные очаги.
11. Тепловое излучение в космических исследованиях
В инфракрасных и радиотелескопах, установленных на орбитальных обсерваториях, регистрируется тепловое излучение различных космических объектов - планет, их спутников, астероидов, комет, межзвездной пыли.
Анализ спектров этого излучения позволяет определить химический состав и физические условия на этих космических телах. Наблюдения в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах необходимы для поиска следов жизни на экзопланетах.
12. Тепловое излучение плазмы и электрических дуг
Тепловое излучение широко используется для анализа состояния ионизованного газа в различных высокотемпературных установках - плазменных реакторах, токамаках и стеллараторах (для управляемого термоядерного синтеза), электродуговых печах и т.п.
По спектрам излучений плазмы судят о ее температуре, плотности, химическом и ионном составе, степени ионизации и других важных характеристиках.
13. Тепловизоры и ночное видение
Важную роль играет тепловое излучение в приборах ночного видения, а также в тепловизорах военного и гражданского применения. Все живые организмы и техника имеют температуру выше фона и излучают в ИК-диапазоне.
Регистрация этого излучения в темноте позволяет обнаружить объекты и людей. Другое название ночного видения - остаточная яркость. Тепловизоры широко используют для обеспечения безопасности, в промышленности и строительстве.
