Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние — электромагнитные волны, испускаемые телами за счёт их внутренней энергии. Излучаются телами, имеющими температуру больше 0 К, то есть разными нагретыми телами, поэтому и называется тепловым. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра.

Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера, белый карлик, радиаторы охлаждения на космических аппаратах, аноды электронных ламп, обогреватели как масляные, так и инфракрасные.

Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, из-за чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием. Характерной чертой является то, что при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий hν ∼ kT, в спектре начинается экспоненциальный завал.

В случае, если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно чёрного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.

Основные понятия и свойства теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Энергетическая светимость тела $R_{T}$ — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

$R_{T}={\frac {W}{tS}}$; $[R_{T}]=$ Дж/(с·м²) = Вт/м².

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости $r_{\omega ,T}$ — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн):

$R_{T}=\int \limits _{0}^{\infty }r_{\omega ,T}\,d\omega .$

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны:

$R_{T}=\int \limits _{0}^{\infty }r_{\lambda ,T}\,d\lambda .$

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением

$r_{\omega ,T}={\frac {\lambda ^{2}}{2\pi c}}r_{\lambda ,T}.$

Поглощающая способность тела

Поглощающая способность тела — $a_{\omega ,T}$ — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот $d\omega$ вблизи $\omega$:

$a_{\omega ,T}={\frac {d\Phi '_{\omega ,T}}{d\Phi _{\omega ,T}}},$

где $d\Phi '$ — поток энергии, поглощающейся телом, $d\Phi$ — поток энергии, падающий на тело в области $d\omega$ вблизи $\omega$.

Отражающая способность тела

Основная статья: Альбедо

Отражающая способность тела — $b_{\omega ,T}$ — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот $d\omega$ вблизи $\omega$:

$b_{\omega ,T}={\frac {d\Phi ''_{\omega ,T}}{d\Phi _{\omega ,T}}},$

где $d\Phi ''$ — поток энергии, отражающейся от тела, $d\Phi$ — поток энергии, падающий на тело в области $d\omega$ вблизи $\omega$.

Абсолютно чёрное тело

Основная статья: Абсолютно чёрное тело

Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение. Для абсолютно чёрного тела

$a_{\omega ,T}=1.$

Серое тело

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры:

$a_{\omega ,T}=a_{T}<1.$

Объёмная плотность энергии излучения

Объёмная плотность энергии излучения — $U_{T}$ — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии — $U_{\omega ,T}$ — функция частоты и температуры, связанная с объёмной плотностью излучения формулой

$U_{T}=\int \limits _{0}^{\infty }U_{\omega ,T}\,d\omega .$

Спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии соотношением

$r_{\omega ,T}=f(\omega ,T)={\frac {c}{4}}U_{\omega ,T}$.

Основные законы теплового излучения

• Закон Стефана — Больцмана
• Закон излучения Кирхгофа
• Закон смещения Вина

Литература

• Ташлыкова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Минск, 2008.

Литература

• Тепловое излучение — статья из Большой советской энциклопедии.