Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра^[1].

Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера и белый карлик^[1][2].

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.^[3]

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 характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Энергетическая светимость тела -${\displaystyle R_{T}}$ — 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.

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

Спектральная плотность энергетической светимости

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

${\displaystyle R_{T}=\int \limits _{0}^{\mathcal {1}}r_{\omega ,T}d\omega }$

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

${\displaystyle R_{T}=\int \limits _{0}^{\mathcal {1}}r_{\lambda ,T}d\lambda }$

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

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

Поглощающая способность тела

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

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

где ${\displaystyle d\Phi '}$ — поток энергии, поглощающейся телом.

${\displaystyle d\Phi }$ — поток энергии, падающий на тело в области ${\displaystyle d\omega }$ вблизи ${\displaystyle \omega }$

Отражающая способность тела

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

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

где ${\displaystyle d\Phi ''}$ — поток энергии, отражающейся от тела.

${\displaystyle d\Phi }$ — поток энергии, падающий на тело в области ${\displaystyle d\omega }$ вблизи ${\displaystyle \omega }$

Подробнее Альбедо

Абсолютно чёрное тело

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

${\displaystyle a_{\omega ,T}=1}$ — для абсолютно чёрного тела

Подробнее Абсолютно черное тело

Серое тело

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

${\displaystyle a_{\omega ,T}=a_{T}<1}$ — для серого тела

Объемная плотность энергии излучения

Объемная плотность энергии излучения — ${\displaystyle U_{T}}$ — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объёма по всему спектру частот

Спектральная плотность энергии

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

${\displaystyle U_{T}=\int \limits _{0}^{\mathcal {1}}U_{\omega ,T}d\omega }$

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

${\displaystyle r_{\omega ,T}=f(\omega ,T)={\frac {c}{4}}U_{\omega ,T}}$ — для абсолютно чёрного тела

Основные законы теплового излучения

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

См. также

• Абсолютно чёрное тело

Литература

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

Примечания

Литература

• Тепловое излучение — статья из Большой советской энциклопедии.