Теплове випромінювання

Теплове випромінювання.

План

1.Абсолютно чорне тіло.

2. Закони випромінювання абсолютне чорного тіла

3. Закон Стафана – Больцмана.

4. Ультрафіолетова катастрофа”.

5. Квантовий характер випромінювання. Формула Планка.

1.Абсолютно чорне тіло.

Найбільш поширеним в природі електро-магнітним випромінюванням є теплове випромінювання. Воно характерне для всіх тіл при температурі, яка більша за нуль Кельвіна. Це випромінювання суттєво залежить від температури:

    Низькі температури – інфрачервоне;

    Високі температури – видиме та ультрафіолетове випромінювання.

Кожне тіло, випромінюючи енергію, одночасно з цим поглинає частину енергії, яку випромінюють інші тіла. Таким чином для кожного тіла можливий стан теплової рівноваги : кількість випроміненої енергії дорівнює кількості отриманої шляхом поглинання енергії.

Температура теплової рівноваги – це температура, яка характерна для тіла в стані тепловії рівноваги.

Кількісна оцінка процесів теплового випромінювання дається за допомогою таких характеристик:

    Енергетична світимість або загальна випромінювальна можливість тіла (R) – це відношення енергії, яка випромінюється з площі поверхні, до часу випромінювання та всій площі поверхні

Теплове випромінювання([R] – [Дж/(м2с)]);

    Загальна поглинальна властивість тіла (А) — це відношення променевої енергії, яка поглинається тілом, до всієї енергії, що падає на тіло у вигляді випромінювання.

Поглинальна властивість всіх тіл менша за одиницю: А<1. Так для видимої частини спектра маємо для різних речовин такі значення поглинальної властивості: Аалюміній = 0,1; Амідь = 0,5; Аводи = 0,67.

Абсолютно чорне тіло (а. ч.т.) – це уявне тіло, яке поглинає при всякій температурі всю променеву енергію, що на нього падає: Аабс. ч.т. = Аλ =1.

Модель абсолютно чорного тіла – малий отвір в оболонці, внутрішня поверхня якої має чорний колір.

Завдяки поняттю а. ч.т. Кірхгофом був встановлений закон теплового випромінення для різних тіл при сталій температурі: для всіх тіл при даній температурі відношення загальної випромінювальної можливості до загальної поглинальної властивості є сталою величиною, яка дорівнює випромінювальній властивості а. ч.т. при даній температурі:

Теплове випромінювання, де: Eλ — випромінювальна властивість а. ч.т. При цьому Е—виявляється функцією довжини хвилі випромінювання та абсолютної температури тіла.

Наслідки із закону Кірхгофа:

Rтіла = Атіла = Еλ;

Випромінювальна властивість тіла менша за випромінювальну властивість а. ч.т.: Rтіла <Еλ ;

Якщо тіло не поглинає певних хвиль, то воно їх і не випромінює та навпаки. Тобто поглинання та випромінювання має місце для однакових хвиль.

Співвідношення Кірхгофа дозволяють визначати випромінювальну властивість довільного тіла, якщо відомі його поглинальна властивість та випромінювальна властивість а. ч.т.; ці параметри визначаються дослідним шляхом.

2.Закони випромінювання а. ч.т.

Розподіл енергії в спектрі а. ч.т. був дослідним шляхом отриманий в кінці 19ст. Він має вигляд:

Площа під кривою дорівнює загальній випромінювальній властивості а. ч.т. Еλ при T = 1259 К.

2.1. Залежність загальної випромінювальної властивості Еλ від температури дається у вигляді закону Стефана-Больцмана (1879р.):

Еλ = σ ·Т4, де: σ =5,67·10-8 К-4- стала Стефана-Больцмана.

2.1. Закон зміщення Віна: довжина хвилі, яка відповідає максимуму випромінення а. ч.т., обернено пропорційна його термодинамічній температурі (1893р.):

Теплове випромінювання, де: b = 2,9 ·10-3 м·К — стала Віна.

На законі Віна побудована оптична пірометрія – метод визначення температури розжарених тіл по спектру їх випромінювання. Так, згідно закону Віна, температура поверхні Сонця дорівнює: Т = Теплове випромінювання= 6100 К. Згідно цього ж закону, найбільш вигідний в світловому відношенні тепловий режим джерела світла теж повинен бути приблизно 6000 К, але реальні лампи розжарення працюють при температурах значно нижчих, приблизно 3000 К, тому їх світловий к. к.д. близько 3%, отже лампи розжарення більше гріють, ніж світять.

Згідно закону Віна, максимум випромінювальної властивості а. ч.т. при зростанні температури зміщується в бік коротких хвиль. Наприклад, для вугілля маємо таку залежність (у вигляді графіка):

Для розжареного метала така світлова закономірність: спочатку метал темний, тобто максимум випромінювання в інфрачервоний області, потім метал червоніє, жовтіє і, нарешті, майже на межі розплавлення, стає голубувато-білим, тобто максимум випромінювання зміщується в бік коротших хвиль.

3.”Ультрафіолетова катастрофа”.

Оскільки закони Стефана-Больцмана та Віна були лише окремими, а не загальними законами випромінювання а. ч.т. (не давали залежності для випромінювальної властивості як функції температури), то були спроби теоретично встановити таку залежність для різних довжин хвиль та різних температур. Вчений Релєй намагався отримати цю залежність, виходячи із класичних уявлень про рівномірний закон розподілу енергії по ступеням вільності. В результаті була отримана формула для Еλ, Т :

Еλ, Т = 2π ·с·к·λ-4·Т.

Згідно цієї залежності отримували результати, які були абсурдні з точки зору реального стану речей, а саме для а. ч.т. отримували загальну випромінювальну властивість, що дорівнювала нескінченності:

Теплове випромінювання.

Тобто для коротких (ультрафіолетових) хвиль загальна випромінювальна властивість а. ч.т. повинна бути нескінченно великою – тіло всю енергію витратить на випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні електромагнітних хвиль і знищить само себе.

Це зовсім протирічило практичному досвіду людства і вказувало на те, що класичний підхід до теплового випромінювання неможливий відносно випромінювання з короткими хвилями. Вихід з цього становища був знайдений в 1900 р. німецьким фізиком М. Планком.

4.Квантовий характер випромінювання. Формула Планка.

Макс Планк знайшов мужність відмовитися від класичної теорії відносно фізичних уявлень про електромагнітне випромінювання, як про безперервну електромагнітну хвилю, яка може мати довільну частоту та нести довільну енергію. Планк запропонував дуже сміливу гіпотезу, згідно якої електромагнітна енергія може випромінюватися та розповсюджуватися тільки строго зумовленими (для конкретної випромінюючої системи) окремими порціями – квантами енергії. Енергія кванта випромінювання пропорційна частоті випромінювання:

Теплове випромінювання, де: h – стала Планка (квант дії), h = 6,625 10-34 Дж с-1.

Наприклад, для зеленого світла (λ = 555нм): εз = 3,6 10-19 Дж. Для дуже довгих хвиль енергія кванта маленька, тому в загальному потоці довгохвильового випромінювання (наприклад, від генератора радіохвиль) окремий квант не помітний, завдяки цьому дискретність випромінювання не помітна. А от для світлового випромінювання дискретний характер має принципове значення, тобто випромінювання світла має дуже помітний квантовий вигляд. Процес поглинання електромагнітної енергії речовинами також має дискретний (квантовий) характер.

Таким чином, між процесами, які відбуваються в макро — та мікросвіті, існують кількісні та якісні протилежності. Тому закони класичної фізики, отримані внаслідок спостережень над макрооб’єктами, не завжди можна застосовувати для змалювання процесів мікросвіту. Саме цим була зумовлена безперспективність намагань теоретично вивести закон розподілу енергії в спектрі випромінювання а. ч.т., виходячи з понять класичної фізики.

На базі уявлень відносно квантового характеру теплового випромінювання Планк отримав такий вираз для спектральної випромінювальної властивості а. ч.т.:

Теплове випромінювання,

Де: λ — довжина хвилі, Т – термодинамічна температура, с – швидкість світла в вакуумі, k – стала Больцмана, e – основа натурального логарифма.

Формула Планка абсолютно співпадає з дослідними результатами; з цієї формули, як окремі випадки, легко отримуються закони Стефана-Больцмана та Віна. На базі теорії Планка про квантовий характер випромінювання А. Ейнштейн в 1905р. створив квантову (фотонну) теорію світла, а Н. Бор в

Tagged with: , , , , , , , , ,
Posted in Фізика

Перелік предметів:
  1. Інформаційні технологіі в галузі
  2. Інформаційні технологіі в системах якості стандартизаціісертифікаціі
  3. Історія української культури
  4. Бухоблік у ресторанному господарстві
  5. Діловодство
  6. Мікропроцесорні системи управління технологічними процесами
  7. Науково-практичні основи технологіі молока і молочних продуктів
  8. Науково-практичні основи технологіі м’яса і м’ясних продуктів
  9. Організація обслуговування у підприємствах ресторанного господарства
  10. Основи наукових досліджень та технічноі творчості
  11. Основи охорони праці
  12. Основи підприємницькоі діяльності та агробізнесу
  13. Політологія
  14. Технологічне обладнання для молочноі промисловості
  15. Технологічне обладнання для м’ясноі промисловості
  16. Технологічний семінар
  17. Технологія зберігання консервування та переробки молока
  18. Технологія зберігання консервування та переробки м’яса
  19. Технологія продукціі підприємств ресторанного господарства
  20. Технохімічний контроль
  21. Технохімічний контроль
  22. Управління якістю продукціі ресторанного господарства
  23. Вища математика 3к.1с
  24. Вступ до фаху 4к.2с.
  25. Загальні технології харчових виробництв
  26. Загальна технологія харчових виробництв 4к.2с.
  27. Мікробіологія молока і молочних продуктів 3к.1с
  28. Математичні моделі в розрахунках на еом
  29. Методи контролю харчових виробництв
  30. Основи фізіології та гігієни харчування 3к.1с
  31. Отримання доброякісного молока 3к.1с
  32. Прикладна механіка
  33. Прикладна механіка 4к.2с.
  34. Теоретичні основи технології харчових виробництв
  35. Технологія зберігання, консервування та переробки м’яса
  36. Фізика
  37. Харчові та дієтичні добавки
  38. Фізичне виховання 3к.1с

На русском

  1. Методы контроля пищевых производств
  2. Общая технология пищевых производств
  3. Теоретические основы технологий пищевых производств
  4. Технология хранения, консервирования и переработки мяса
LiveInternet

Интернет реклама УБС