Закон Кирхгофа для теплового излучения
В современной промышленности часто используется такое свойство материалов, как поглощение и отдача теплового излучения. Для одних целей важно добиться максимального излучения при минимальном поглощение, а в других случаях наоборот требуются материалы, у которых отсутствует способность поглощения и излучения тепловой энергии. В статье будет подробно рассказано, что такое закон Кирхгофа для теплового излучения, будет приведена применяемая формула расчета этой характеристики и сферы ее применения.
Излучение
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, которое возникает в результате вращательных, колебательных движений атомов и молекул при нагреве вещества. За счет повышения температуры увеличивается скорость движения атомов и молекул, поэтому повышается его внутренняя энергия. В результате происходит выброс энергии на внешнюю оболочку поверхности. Энергия теплового излучения это электромагнитные волны различной частоты и длины.
Основоположником теории о поглощении, излучении тепла и света стал немецкий физик Густав Кирхгоф. В 1859 году им была опубликована статья, в которой он обосновал такую теорию — тепловое излучение является равновесным, то есть сколько энергии излучает тело, столько же энергии оно и поглощает. Это утверждение будет верным, даже если тело будет абсолютно черным (АЧ). В 1861 году вышла более подробная работа физика, которая и по сей день является неопровержимой и широко применяется.
Определение закона Кирхгофа выглядит так: отношение поглощательной способности любого тела «А» к его излучательной способности «R» будет одинаково для всех тел при данной температуре на данной частоте. При этом такое соотношение не будет зависеть от формы и химической природы тел.
Физиком была выведена следующая формула:
где АЧТ — это абсолютно черное тело, rω,T — спектральная плотность энергетической светимости или испускательная способность тела, f(ω, T) — универсальная функция Кирхгофа.
Из закона можно выявить такую зависимость: величина испускания прямо пропорциональна величине поглощения, то есть иными словами — чем больше тело поглощает тепла, тем больше оно его и выделяет. Отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры.
В данной формулировке закона так же учитывается термодинамическое равновесие. Если термодинамическое равновесие между телом и лучом отсутствует, то происходит смещение излучательной способности вещества. Холодное тело нагревается, что приводит к увеличению испускания энергии, а горячее наоборот остывает и степень излучения понижается. Если степень поглощенного излучения превышает температуру тела в данный момент времени, то излишек тепловой энергии выделяется в виде видимого спектра. Например, черный метал при нагреве до 900 градусов светится красным. Такой эффект видимого теплового излучения называется энергетической светимостью.
При наличии термодинамического равновесия между лучом и поверхностью предмета, излучение приобретает равновесный характер, который близок к спектру абсолютно черного тела. При этом данная излучаемая характеристика не может быть больше, чем поглощенная.
Внешние характеристики вещества все же влияют на его способность поглощения и излучения энергии. За эталон при этом всегда берут абсолютно черное тело. Черные поверхности имеют высокий коэффициент поглощательной и излучательной способности. Так, например, зеркальные поверхности имеют способность к отражению лучей любой длины, а значит они поглощают намного меньше тепла и неспособны его излучать. Поглощательная способность абсолютно черного тела считается равной 1. Ниже можно увидеть зависимость испускательной способности абсолютно черного тела от длины волны:
Таких абсолютно черных тел в природе не существует, и они используются только в научных целях при проведении различных расчетов. Наиболее приближенным к АЧТ считают сажу (99% поглощения), а так же черный бархат и бумагу. Все поверхности, поглотительная способность которых меньше 1, называются серыми. Приближенным эквивалентом абсолютно черного тела является полость с довольно малым отверстием.
Луч любой частоты, попавший в подобное отверстие, многократно отражается от его поверхности и в конечном итоге поглощается. Если на момент поглощения сохраняется стабильная температура «Т» на поверхности стенок полости, то излучение, выходящее на поверхность отверстия, наиболее близко по своему составу спектра к излучению абсолютно черных тел.
Прозрачность
Способность к поглощению падающих лучей напрямую зависит от прозрачности среды. Так абсолютно черное тело полностью поглощает в себя всю энергию, падающую на его поверхность, а отражения энергии при этом не происходит. Однако существуют материалы, которые не способны поглощать энергию от падающих на его поверхность лучей. Такие тела принято называть зеркальными. Они полностью отражают всю энергию, которая попадает на их поверхность. Если тело имеет способность к рассеянному отражению энергии, то его называют абсолютно белым.
Абсолютно прозрачной средой для излучения является чистый воздух. Он невидим для лучей во всех спектрах. Но если в воздухе имеется хоть какая–то доля влажности или запыления, то поглотительная способность такой среды возрастает. Из-за этого его температура и отражательная способность увеличиваются.
Применение
Закон Кирхгофа для теплового излучения нашел широкое применение в научных дисциплинах, где требуется измерить температуру поверхности предмета, находящегося на значительном удалении, например, температуру удаленных звезд. Так же этот закон применяется в современной промышленности. Температуру нагретых поверхностей измеряют при помощи пирометра. Этот прибор способен измерять температуру в радиационном, цветовом и яркостном диапазоне.
Также закон поглощения и излучения используется в оптической технике. Например, на его основе создаются тепловизоры, чувствительные к определению теплового спектра в среде с наивысшей способностью к поглощению (темноте).
На основе закона Кирхгофа также создаются новые материалы с различными способностями теплообмена.
Заключение
Закон Кирхгофа для теплового излучения является основополагающим во многих научных дисциплинах. Но он не единственный, который описывает все явления, происходящие в веществе при его облучении. Более широкое понимание происходящих процессов помогают получить законы Планка, Вина, Больцмана, являющиеся дополнением к определению теплового излучения Кирхгофа.