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.

Крупная передача тепла осуществляется через инфракрасные лучи. Видимый свет передает лишь небольшую часть тепловой энергии. Конвекция принимает участие по мере подъема горячего воздуха, а проводимость наоборот практически незначительна. Кожа чувствительна и быстро реагирует на инфракрасное излучение, поэтому можно ощущать огонь, не прикасаясь к пламени

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.

(а) – График спектров электромагнитных волн, создаваемых идеальным источником при трех температурных показателях. Интенсивность (скорость излучения) увеличивается вместе с температурой, а спектр смещается в сторону видимой (заштрихованная) и ультрафиолетовой частей спектра. Переход к ультрафиолету приводит к тому, что видимый свет с красного становится белым и синим. (b) – Перемены цвета соответствуют изменению температуры

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.

---