Что такое у излучение в физике
Перейти к содержимому

Что такое у излучение в физике

  • автор:

Что такое у излучение в физике

Тепловое излучение вместе с конвекцией и теплопроводностью является одним из трех основных механизмов теплопередачи. Излучение — это испускание спектра электромагнитных волн всеми материалами, температура которых больше абсолютного нуля. В отличие от конвективного переноса тепла и теплопроводности в потоках из-за прямого физического контакта, для теплового излучения не требуется наличия или участия вещества, так как излучаемое тепло может передаваться через вакуум или любое твердое либо жидкое прозрачное вещество.

В тепловой системе излучение может быть значительным, когда излучаемый поток тепла велик по сравнению со скоростью теплопередачи из-за конвекции, теплопроводности или и того и другого. Обычно это происходит при высоких температурах, в которых зависимость излучаемого теплового потока 4- й степени от температуры тела означает, что излучение является основным в процессе теплопередачи. Обычными эффектами излучения являются следующие:

• Излучающий нагрев или охлаждение поверхность-поверхность.
• Общая теплопередача посредством излучения, конвекции и теплопроводности.
• Излучение через окна и теплопередача в помещении.
• Излучение при обработке стекла, вытягивании стекловолокна и при обработке керамики.
• Тепловое излучение пламени.

В CFA-моделировании целью моделирования излучения является решение уравнения переноса излучением. Таким образом, необходимо получить член излучения для основного уравнения общего сохранения энергии и излучаемый тепловой поток в стенках.

Излучение (Radiation) является модулем в Creo Flow Analysis . Чтобы получить доступ к этому модулю, выполните следующие шаги.

1. Щелкните правой кнопкой мыши Физический модуль (Physics) и выберите команду Выбрать физические модели (Select Physics Models) . Откроется диалоговое окно Выбор физической модели (Physical Model Selection) .

2. Выберите Излучение (Radiation) в списке Доступные модули (Available Modules) . В дереве анализа потоков в разделе Физика (Physics) добавлено Излучение (Radiation) .

Ниже приведено описание элементов в модуле Излучение (Radiation) :
• Определения (Definitions) — термины, используемые в моделировании излучения.

• Физика (Physics) — определения, терминология, константы, модели и методы, используемые при моделировании излучения.

• Условия (Conditions) — задание условий для таких объектов, как границы, интерфейсы, объемы и выходные данные модуля.

1.1. Тепловое излучение

Скачать Содержание

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет запасов его внутренней (тепловой) энергии.

Поэтому характеристики теплового излучения (интенсивность, спектральный состав) зависят от температуры излучающего вещества. Все прочие виды электромагнитного излучения существуют за счет других, не тепловых, форм энергии. Тепловое излучение — единственный вид излучения, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом и само быть при этом в состоянии термодинамического равновесия. Ниже будет рассматриваться главным образом термодинамически равновесное тепловое излучение.

Предположим, что нагретое тело помещено в полость, стенки которой поддерживаются при некоторой постоянной температуре Если в полости нет никакой среды (газа), то обмен энергией между оболочкой и телом происходит только за счет процессов поглощения, испускания и отражения теплового излучения веществом стенки полости. С течением времени температура тела станет равной температуре оболочки и наступит динамическое равновесие — в единицу времени тело будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Очевидно, что при этом и излучение, заполняющее полость, будет находиться в равновесии, как с телом, так и со стенками полости. Допустим, что равновесие между телом и излучением нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда температура тела и его внутренняя энергия начнут убывать, что приведет к уменьшению излучаемой телом энергии. Температура тела будет понижаться до тех пор, пока количество излучаемой телом энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии. Если равновесие нарушится в другую сторону, то есть тело будет излучать меньше энергии, чем поглощает, то температура тела будет возрастать до тех пор, пока снова не установится равновесие. Таким образом, нарушение равновесия между телом и тепловым излучением вызывает процессы, направленные в сторону восстановления равновесия.

Рис. 1.1. Нагретое тело в полости с идеально отражающими стенками

Представим теперь то же самое тело, помещенное внутри другой оболочки, отличающейся размерами, формой или материалом, из которого она сделана. Будем поддерживать ту же самую температуру оболочки. В системе пойдут аналогичные процессы установления равновесия, в результате которых тело внутри оболочки нагреется до той же самой температуры Т. Для тела внутри оболочки ничего не изменилось: оно находится при той же самой температуре, что и прежде, и, следовательно, будет излучать ту же самую энергию. Так как тело находится в равновесии с излучением внутри оболочки, мы приходим к выводу, что характеристики этого излучения не зависят от свойств оболочки, но лишь от ее температуры. Это «стандартное», термодинамически равновесное излучение называется излучением абсолютно черного тела. О том, откуда такое название и что такое абсолютно черное тело будет сказано ниже. Равновесное излучение можно охарактеризовать плотностью энергии , зависящей только от температуры.

Плотность энергии — это количество энергии излучения, приходящееся на единицу объема.

Тепловое излучение состоит из электромагнитных волн разных частот. Полная плотность энергии складывается из плотностей энергий этих волн. Для более детальной характеристики излучения вводят дифференциальную величину — спектральную плотность энергии излучения .

Спектральная плотность энергии излучения — это энергия излучения в единице объема, приходящаяся на единичный интервал частот.

Иными словами, если обозначить через энергию излучения в единице объема, приходящуюся на волны с частотами от до , то

В системе СИ спектральная плотность энергии измеряется в следующих единицах:

Плотность энергии есть сумма спектральных плотностей энергии по всем возможным частотам, то есть выражается интегралом

Итак, в полости, существует стандартное излучение с плотностью энергии . Рассмотрим теперь тело, находящееся с ним в равновесии.

Энергетическая светимость R (интегральная плотность потока энергии излучения) — равна энергии, испускаемой в единицу времени единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям.

В системе СИ энергетическая светимость измеряется в :

Энергетическая светимость зависит от температуры тела. Тепловое излучение состоит из волн различных частот. Для характеристики теплового излучения важно знать, какая энергия, в каком диапазоне частот излучается телом. Поэтому вводят дифференциальную характеристику , называемую испускательной способностью тела, являющуюся спектральной плотностью потока энергии излучения.

Испускательная способность тела (спектральная плотность потока энергии излучения) — это количество энергии, испускаемой в единицу времени единицей поверхности тела в единичном интервале частот по всем направлениям.

Чтобы получить энергетическую светимость тела, надо проинтегрировать испускательную способность по всем частотам:

В системе СИ испускательная способность тела (спектральная плотность потока энергии излучения) измеряется в Дж/м 2 :

Нагретое тело не только испускает энергию, но и поглощает ее. Для описания способности тела поглощать энергию падающего на его поверхность излучения вводится величина, которая так и называется: поглощательная способность.

Поглощательная способность (спектральный коэффициент поглощения) — равна отношению энергии поглощенной поверхностью тела к энергии, падающей на поверхность тела. Обе энергии (падающая и поглощенная) берутся в расчете на единицу площади, единицу времени и единичный интервал частот.

Поглощательная способность равна той доли, которую — в заданном спектральном интервале — поглощенная энергия излучения составляет от падающей энергии излучения. Другими словами:

Очевидно, что поглощательная способность тела является безразмерной величиной, не превышающей единицу.

Абсолютно черное тело — это тело, способное поглощать при любой температуре все падающее на него излучение всех частот.

Для абсолютно черного тела

Тел с такими свойствами в природе не бывает, это очередная физическая идеализация.

Рис. 1.2. Спектр излучения абсолютно чёрного тела (чёрная линия) при температуре 5250 °С хорошо моделирует излучение Солнца. Красным цветом показаны результаты измерений на уровне моря, жёлтым — в верхней атмосфере.

Будем поочередно помещать в полость различные тела. Все они находятся в одинаковых условиях, в окружении одного и того же излучения. Обозначим энергию, падающую в единицу времени на единицу поверхности тела в единичном интервале частот. Согласно определению поглощательной способности тело поглощает энергию В состоянии равновесия эта энергия должна быть равна испущенной телом энергии:

Различные тела в полости имеют разную поглощательную способность, следовательно, у них будет и разная испускательная способность, так что отношение rww не зависит от конкретного тела, помещенного в полость:

С другой стороны, испускательная способность тела не зависит от полости, в которую оно помещено, но лишь от свойств тела. Таким образом, функция есть универсальная функция частоты и температуры, не зависящая ни от свойств полости, ни от характеристик тела в ней. Соотношение (1.2) выражает закон Кирхгофа.

Отношение испускательной и поглощательной способности тела не зависит от природы тела. Для всех тел функция есть универсальная функция частоты и температуры (функция Кирхгофа).

Строго говоря, сформулированное выше утверждение справедливо в условиях термодинамического равновесия, наличие которого здесь и ниже всегда предполагается.

Для абсолютно черного тела

откуда следует физическая интерпретация универсальной функции Кирхгофа : она представляет собой испускательную способность абсолютно черного тела, то есть

(Характеристики абсолютно черного тела будем помечать звездочкой, а само тело называть нередко просто «черным», а не абсолютно черным).

Рис. 1.3. Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887)

Установим теперь связь между испускательной способностью черного тела и спектральной плотностью стандартного излучения в полости (выше мы назвали его излучением черного тела). Сравнивая размерности этих величин, видим, что отношение имеет размерность скорости. Единственная величина, имеющая размерность скорости, которая ассо­циируется с электромагнитными волнами в вакууме, — это скорость света . Поэтому искомое соотношение должно иметь вид

Найдем безразмерный коэффициент пропорциональности в этой формуле. В качестве модели абсолютно черного тела возьмем замкнутую полость с небольшим отверстием s (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Полocть с небольшим отверстием — реализация черного тела

Луч света, падающий внутрь этой полости через отверстие s, претерпевает многократное отражение. При каждом отражении стенки полости поглощают часть энергии. Поэтому интенсивность луча света, выходящего из отверстия, во много раз меньше интенсивности входящего луча. Чем больше отношение площади полости к площади отверстия, тем ближе такое тело к абсолютно черному. Поэтому отверстие в полости излучает как абстрактное черное тело.

С другой стороны, внутри полости существует равновесное тепловое излучение со спектральной плотностью U. Подсчитаем энергию dW0 , выходящую из отверстия площадью s в телесном угле в направлении, заданном углом . Во-первых, в данном направлении за время может выйти только энергия, содержащаяся в наклонном цилиндре с площадью основания s и длиной образующей с (рис. 1.5-1).

Рис. 1.5. Тепловое излучение из отверстия в полости

Объем такого цилиндра равен

Содержащаяся в нем энергия теплового излучения равна

Но не вся она распространяется под углом . Тепловое излучение распространяется по всем направлениям с равной вероятностью (рис. 1.5-2). Поэтому в телесный угол попадет только часть энергии (мы обозначим эту долю как ), пропорциональная величине телесного угла

Так как полный телесный угол равен , имеем

Теперь осталось проинтегрировать по углам и , чтобы получить полную энергию , выходящую из отверстия полости. Обращаем внимание: излучение падает на отверстие только из левого полупространства, так что полярный угол меняется в пределах от нуля до (угол меняется как обычно от 0 до ). Интегрирование по дает множитель , интегрируя по , окончательно получаем:

Разделив на время и площадь отверстия s, получим энергетическую светимость черного тела R*, а также искомый коэффициент пропорциональности

Итак, энергетическая светимость черного тела связана с плотностью энергии в полости соотношением

Аналогичное соотношение справедливо для спектральных характеристик излучения черного тела:

Таким образом, универсальная функция в законе Кирхгофа, представляющая собой испускательную способность черного тела, с точностью до множителя с/4 совпадает также со спектральной плотностью равновесного теплового излучения.

До сих пор мы относили спектральные характеристики теплового излучения к единичному интервалу частоты. Можно определить аналогичные характеристики, отнесенные к единичному интервалу длин волн. Так, черное тело испускает в интервале частот энергию . Эту же энергию можно записать как . Интервалу частот соответствует интервал длин волн . Учитывая соотношения

где знак минус указывает на то, что с возрастанием частоты длина волны убывает. Поэтому в дальнейшем, в соотношениях связывающих длины интервалов, знак минус будем опускать. Таким образом,

1. Тепловое излучение. Распределение энергии в спектре абсолютно чёрного тела

Экспериментально установлено, что нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это явление называется тепловым излучением . Интенсивностью излучения \(I\) называют мощность излучения, проходящую через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения излучения. Отношение интенсивности излучения в узком частотном интервале от \(\nu\) до \(\nu+\Delta \nu\) к величине этого интервала \(\Delta \nu\) — спектральная плотность излучения \(i(\nu)\). Зависимость спектральной плотности от частоты (или длины волны) называется спектром излучения .
Вид спектра зависит от излучающего вещества. Одна важная частная физическая модель, которая в начале \(XX\) века послужила толчком к созданию квантовой физики, — это абсолютно чёрное тело (тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него излучение). Спектр абсолютно чёрного тела непрерывен и имеет максимум на какой-то частоте \(\nu_m\), а при частотах \(\nu \rightarrow 0\) и \(\nu \rightarrow \infty\) спектральная плотность излучения стремится к нулю (рис. \(1\)).

Frame 562.png

Рис. \(1\). Спектр излучения абсолютно чёрного тела

При этом при увеличении температуры спектральная плотность излучения увеличивается (то есть все точки спектра при температуре \(T_2\), которая больше \(T_1\), лежат выше, чем точки спектра при температуре \(T_1\)), а также увеличивается частота, на которой спектр имеет максимум (\(\nu_\) >\(\nu_\)).
Увеличение частоты может быть описано с помощью закона Вина :
\(\boxed,\;\;\lambda_m=\frac>\), (\(1\))
где постоянная Вина \(b=2.9\cdot 10^\) м·K.
Интегральная светимость (\(R\)) или поверхностная плотность потока излучения (то есть мощность излучения с единицы поверхности тела) абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана :
\(\boxed\), (\(2\))
где постоянная Стефана — Больцмана \(\sigma=5.67\cdot10^\) Вт/(м²·K 4 ).

Если попытаться качественно описать спектр излучения нагретого тела с точки зрения теории Максвелла, то есть предположить, что электромагнитные волны появляются из-за колебаний электрических зарядов, то плотность излучаемой энергии должна монотонно увеличиваться с увеличением частоты. Однако эксперимент показывает, что это не так (рис. \(1\)). Данное противоречие известно в истории физики под названием «ультрафиолетовая катастрофа».
Устранение этого несоответствия и стало первой задачей, для решения которой понадобилось создать квантовую физику . А далее (в течение всего \(XX\) века) оказывалось, что излучение , поглощение , люминесценция различных газов, жидкостей и твёрдых тел объясняются только с помощью новой теории. Все вышеперечисленные явления (в том числе и излучение абсолютно чёрного тела) можно рассматривать как взаимодействие атома и электромагнитного излучения, то есть рассматриваемая система имеет размеры порядка атомных или субатомных. Это и является предметом квантовой физики. Описание таких систем, их изменения во времени, раскрытие закономерностей их поведения — это задачи квантовой физики.

Излучение

На прошлых уроках вы познакомились с такими видами теплопередачи, как тепловодность и конвекция. И в первом, и во втором случае перенос энергии происходил за счет движения частиц или их групп. Значит, если нет вещества, то эти виды теплопередачи невозможны.

Основной источник тепла на нашей планете — это Солнце. Оно находится от нас на расстоянии $15 \cdot 10^7 \space км$. Это пространство содержит очень разреженное вещество, оно близко к вакууму. В такой ситуации невозможна ни конвекция, ни теплопроводность. Каким образом тогда передается тепло от Солнца?

Изучение — вот ответ на наш вопрос. На данном уроке мы познакомимся с процессом излучения на опыте, узнаем его свойства и применение.

Выявление процесса излучения

Рассмотрим следующий опыт (рисунок 1). У нас есть жидкостный манометр и теплоприемник. Соединим их резиновой трубкой между собой.

Нагреем до высокой температуры небольшой кусок металла. С помощью пинцета аккуратно поднесем его к темной стороне теплоприемника (рисунок 1, а).

Уровень жидкости в колене, соединенном с теплоприемником, снизился. Это значит, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился.

Мы не воздействовали на теплоприемник никаким другим образом. Очевидно, что ему была передана энергия от нагретого куска металла.

Теплопроводность? Нет. Ведь мы не докасались куском металла до теплоприемника. Конвекция? Тоже нет. Нагретое тело находилось рядом с теплоприемником, но не под ним. Передача энергии в данном случае осуществлялась путем излучения.

Излучение — это вид теплопередачи, при котором перенос энергии происходит преимущественно без переноса вещества.

Этот перенос энергии осуществляется посредством электромагнитных волн. Об этом понятии вы подробнее узнаете в уроках для 9 класса.

Свойства излучения

  • Передача энергии путем излучения отличается от других видов теплопередачи.

Излучение может осуществляться в полном вакууме.

  • Все тела излучают энергию: и сильно нагретые, и слабо.

Чем выше температура тела, тем больше энергии оно передаёт путем излучения.

  • Излучаемая энергия частично поглощается окружающими телами и частично отражается
  • При поглощении энергии тела будут нагреваться по-разному. Это зависит от их поверхности.

Вернемся к нашему опыту (рисунок ). Сначала мы повернули теплоприемник к куску металла темной стороной. Теперь повернем его светлой стороной (рисунок 1, б). Теперь столбик жидкости в колене манометра повысился.

Тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела со светлой поверхностью.

  • Тела, которые излучают энергию, охлаждаются тоже по-разному.

Тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью.

Например, в белом чайнике горячая вода дольше сохранит высокую температуру, чем в черном.

Применение

Солнечное излучение используют для того, чтобы добыть использовать солнечную энергию. Солнечные батареи (рисунок 3) позволяют аккумулировать солнечную энергию, преобразовывать ее для дальнейшего использования человеком.

Излучение применяют для сушки и нагрева материалов, в приборах ночного видения, в медицине. Далее во время обучения вы более подробно рассмотрите природу этого явления.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *