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<ref name="physencylo">Шаблон:Книга:Физическая энциклопедия</ref>.

Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера, белый карлик<ref name="physencylo"/><ref>Шаблон:Cite web</ref>, радиаторы охлаждения на космических аппаратах, катоды 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 Шаблон:Math, в спектре начинается экспоненциальный завал.<ref>Шаблон:Книга</ref>

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 <math>R_T</math> — 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.

<math>R_T = \frac{W}{tS}</math>; <math>[R_T] =</math> Дж/(с·м²) = Вт/м².

Спектральная плотность энергетической светимости

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

<math>R_T = \int\limits_0^\infty r_{\omega,T} \,d\omega.</math>

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны:

<math>R_T = \int\limits_0^\infty r_{\lambda,T} \,d\lambda.</math>

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

<math>r_{\omega,T} = \frac{\lambda^2}{2\pi c} r_{\lambda,T}.</math>

Поглощающая способность тела

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

<math>a_{\omega,T} = \frac{d\Phi'_{\omega,T}}{d\Phi_{\omega,T}},</math>

где <math>d\Phi'</math> — поток энергии, поглощающейся телом, <math>d\Phi</math> — поток энергии, падающий на тело в области <math>d\omega</math> вблизи <math>\omega</math>.

Отражающая способность тела

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

<math>b_{\omega,T} = \frac{d\Phi_{\omega,T}}{d\Phi_{\omega,T}},</math>

где <math>d\Phi</math> — поток энергии, отражающейся от тела, <math>d\Phi</math> — поток энергии, падающий на тело в области <math>d\omega</math> вблизи <math>\omega</math>.

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

<math>a_{\omega,T} = 1.</math>

Серое тело

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

<math>a_{\omega,T} = a_T < 1.</math>

Объёмная плотность энергии излучения

Объёмная плотность энергии излучения — <math>U_T</math> — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергии

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

<math>U_T = \int\limits_0^\infty U_{\omega,T} \,d\omega.</math>

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

<math>r_{\omega,T} = f(\omega, T) = \frac{c}{4} U_{\omega,T}</math>.

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.

Ссылки

• Шаблон:Из БСЭ