Излучение

Физика > Излучение

Излучение – передача тепла при помощи электромагнитной энергии.

Задача обучения

• Объяснить, как энергия электромагнитного излучения отвечает длине волны.

Основные пункты

• На энергию электромагнитного излучения влияет длина волны. Заметны перемены в широком диапазоне: меньшая длина соответствует более высокой энергии.
• Все объекты излучают и впитывают электромагнитную энергию. Цвет основывается на способности к излучению или эффективности излучающей энергии. Максимальная эффективность у черного, а наименьшая у белого (1 и 0).
• Идеальные тело излучения именуют черным.

Скорость передачи тепла при излучении вычисляется законом излучения Стефана-Больцмана:

Q/t = σAT⁴, где σ = 5.67 × 10^-8 Дж⋅с^-1⋅м-2⋅K^-4 – постоянная Стефана-Больцмана, A – площадь поверхности объекта, а T – абсолютная температура в кельвинах.

• Чистая скорость передачи тепла связана с температурным показателем тела и окружения. Чем сильнее разница, тем выше чистый тепловой поток.
• Температура тела имеет большое значение, так как излучение выступает пропорциональным этой величине в четвертой степени.

Термины

• Черное тело – теоретический объект, аппроксимированный дырой в полой черной сфере, способный поглотить все попадающие электромагнитные лучи и не отражающий их. Обладает особенным спектром излучения.
• Излучательная способность – склонность поверхности к созданию лучей. Вычисляется на определенной длине волны.

Излучение

Если вы находитесь возле огня или стоите под Солнцем, то можете ощутить теплопередачу. Однако, само пространство между нашей планетой и звездой пустое, а значит лишено конвекции или проводимости. Здесь тепло передается через излучение.

Горячее тело создает электромагнитные волны, поглощаемые нашей кожей. Для такого «контакта» не нужна среда. В зависимости от длины мы называем их радиоволнами, микроволнами, инфракрасными лучами, видимым светом, ультрафиолетовыми лучами, рентгеновскими и гамма.

Энергия электромагнитного излучения основывается на длине волны, и меняется в широком диапазоне: меньшая длина соответствует более высокой энергии. Это выглядит как:

E = HF = hc/λ (E – энергия, f – частота, λ – длина волны, h – постоянная).

При более высоких температурах излучается больший объем тепла. Например, электрический элемент может менять цвет от красного к оранжевому. В основном вы ощущаете инфракрасное излучение, которое по показателям ниже температуры.

Излучаемая энергия зависит от интенсивности, представленной высотой распределения.

Теплопередача

Все тела впитывают или воспроизводят электромагнитные лучи. Скорость определяется по цвету объекта. Максимальная эффективность принадлежит черному, а минимальная – белому. Вы могли заметить, что в жару люди стараются избегать темной одежды.

Идеальный источник излучения именуют черным телом. Оно впитывает все поступающие лучи. На противоположном конце спектра – белый (отражает лучи как зеркало).

Есть связь между температурой темного тела и длиной волны. Это закон смещения Вина:

λ_max T = b (где b – постоянная, приравниваемая к 2.9 × 10^-3 м⋅K).

У серых тел однородная способность поглощать все части электромагнитного спектра. Цветные объекты ведут себя похоже, но процесс выглядит намного сложнее. Можно вспомнить о поглощении кожей инфракрасных лучей.

Хорошие и плохие источники излучения

Темное тело – отлично поглощает и излучает, а вот белый – плох в обоих случаях. Скорость теплоотдачи вычисляется по закону Стефана-Больцмана:

Q/t = σeAT⁴ (σ = 5.67 × 10^-8 Дж с^-1⋅м-2⋅K^-4 – постоянная Стефана-Больцмана, A – площадь поверхности объекта, а T – абсолютная температура в кельвинах). Символ е обозначает излучательную способность объекта. У черного тела е = 1, а у идеального отражателя е = 0. Реальные объекты попадают между этими двумя значениями. Например, у нитей вольфрамовых ламп е = 0.5, а у сажи – 0.99.

Скорость излучения выступает прямо пропорциональной четвертой степени абсолютной температуры. Кроме того, излучаемое тепло пропорционально площади поверхности тела. Если расшевелите горящие угли, то пламя вспыхнет с новой силой, потому что вы повлияли на площадь.

Чистая скорость теплопередачи

Чистая скорость теплопередачи основывается на температуре тела и его окружающей среды. Допустим, что объект с температурой Т₁ окружен средой с однородной Т₂. Тогда чистая скорость:

, где е – излучаемая способность объекта

То есть, неважно какого цвета будет окружающая среда, потому что баланс излучения зависит на способности самого тела. Когда T₂ > T₁, величина Qnet/t – положительна. То есть, чистый перенос тепла происходит от более горячих объектов к более холодным.

---