Лекция по физике для инженеров

1. Тепловое излучение
Материалы к лекции по физике
профессор Звонов
Валерий Степанович
Февраль 2012

2. Тепловое излучение
1. Закон Кирхгоффа.
2. Абсолютно черное тело.
Распределение энергии в спектре
абсолютно черного тела.
3. Закон Стефана-Больцмана.
4. Закон смещения Вина.
5. Квантовая гипотеза и формула Планка.
6. Тепловые источники света. Оптическая
пирометрия.

3. Тепловое излучение
Испускаемый источником свет уносит с собой
энергию.
Существует много различных механизмов
подвода энергии к источнику света.
В тех случаях, когда необходимая энергия
сообщается нагреванием, т. е. подводом тепла,
излучение называется тепловым или
температурным.
Этот вид излучения для физиков конца XIX века
представлял особый интерес, так как в отличие
от всех других видов люминесценции,
тепловое излучение может находиться в
состоянии термодинамического равновесия с
нагретыми телами.

4. Термодинамическое равновесие
T1 > T2

5. Термодинамическое равновесие
T1 > T2

6. Термодинамическое равновесие
T1 > T2

7. Термодинамическое равновесие
T1 > T2

8. Термодинамическое равновесие
T1 = T2 = T

9. Термодинамическое равновесие установится и в полости,
стенки которой выполнены из любого реального материала
и поддерживаются при некоторой неизменной температуре.
Способность теплового излучения находиться в равновесии
с излучающим телом отличает тепловое излучение от других
видов излучения тел.
Поэтому, такое излучение, находящееся в равновесии с
излучающим телом, будем называть равновесным.
T = const

10. Основные свойства
теплового излучения
• Тепловое излучение – это электромагнитная волна
• Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от
нуля до бесконечности
• Интенсивность теплового излучения неравномерна по
частотам и имеет явно выраженный максимум при
определенной частоте
• C ростом температуры общая интенсивность теплового
излучения возрастает
• C ростом температуры максимум излучения смещается в
сторону больших частот (меньших длин волн)
• Тепловое излучение характерно для тел независимо от их
агрегатного состояния
• Отличительным свойством теплового излучения является
равновесный характер излучения. Это значит что если мы
поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество
поглощаемой энергии всегда будет равно количеству
испускаемой энергии.

11. Характеристики
теплового излучения
• Энергетическая светимость тела
- физическая величина, являющаяся функцией
температуры и численно равная энергии W,
испускаемой телом в единицу времени, t, с
единицы площади поверхности, S, по всем
направлениям и по всему спектру частот.

12. Характеристики
теплового излучения
Спектральная плотность энергетической
светимости
- функция частоты и температуры
характеризующая распределение энергии
излучения по всему спектру частот (или длин
волн).

13. Взаимодействие излучения
с веществом
Ф = Фотр + Фпр + Фпогл + Фрас
Для непрозрачных материалов большая часть падающего излучения будет отражаться или поглощаться.
Ф = Фотр + Фпогл
Фпр
Фрас
Фотр
Ф
Фпогл
Ф/Ф = Фотр/Ф + Фпогл/Ф
1 = ρ + a
ρ = Фотр/ Ф - коэффициент отражения
а = Фпогл/ Ф - коэффициент поглощения
Если а=0, то
ρ=1 – абсолютно белое тело
Если ρ=0, то
а=1 – абсолютно черное тело

14. Законы излучения
абсолютно черного тела
Если тело обладает свойством поглощать всю
падающую на его поверхность лучистую
энергию любого спектрального состава, то
такое тело называют абсолютно черным.
Модель абсолютно черного тела

15. МодельМодель
абсолютно черного телаабсолютно черного тела
Абсолютно черное тело – мысленная
модель тела полностью поглощающего
электромагнитные волны любой длины (и,
соответственно, излучающего все длины
электромагнитных волн).
Свойство: при заданной температуре собственное тепловое
излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии
теплового равновесия с излучением, должно иметь тот же
спектральный состав, что и окружающее это тело
равновесное излучение.
Проблема сводится к изучению спектрального состава
излучения абсолютно черного тела.
Решить эту проблему классическая физика оказалась
не в состоянии.

16. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон Кирхгофа
Между испускательными и
поглощательными свойствами
любого тела должна
существовать связь.
Ведь в опыте с равновесным
тепловым излучением
равновесие в системе может
установиться только в том
случае, если каждое тело будет
излучать в единицу времени
столько же энергии, сколько оно
поглощает.
Это означает, что тела,
интенсивнее поглощающие
излучение какой-либо
частоты, будут это
излучение интенсивнее и
испускать.
Этот закон теплового излучения,
установлен в 1859 г. Г.Кирхгофом
Густав Флобер Кирхгоф
(1824–1887)

17. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон Кирхгофа
Отношение излучательной способности любого тела
к его поглощательной способности одинаково для всех тел
при данной температуре для данной частоты и не зависит
от их формы и химической природы.

18. Закон Стефана - БольцманаЗакон Стефана - Больцмана
• Австрийские физики И.Стефан и Л.Больцман экспериментально
установили: полная энергия, излучаемая за 1 с абсолютно
черным телом с единицы поверхности, пропорциональна
четвертой степени абсолютной температуры.
– где σ = 5,67.
10-8
Дж/(м2.
К.
с) — постоянная Стефана-
Больцмана.
4
Tσ== EW
Роль закона: закон Стефана — Больцмана
позволил вычислить энергию излучения
абсолютно черного тела по известной
температуре.

19. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон Стефана-Больцмана
Светимость абсолютно черного
тела пропорциональна
четвертой степени его
температуры.
Йозеф Стефан Людвиг Больцман
(1835-1893) (1844 – 1906)
- интегральная поглощательная способность тела
В пирометре яркость нагретого тела
сравнивают с яркостью раскаленной
вольфрамовой нити, у которой АТ=0,15

21. ЭКСПЕРИМЕНТ

22. Законы излучения абсолютно черного тела
Первый закон Вина
Вильгельм Вин
1864-1928
Для абсолютно черного тела uν,T = r ν,T - Закон Стефана-Больцмана
Из самых общих свойств и законов термодинамики и максвелловской э/м теории
В.Вин сформулировал общее условие для универсальной функции

23. Пример экспериментально полученныхПример экспериментально полученных
кривых распределения энергии в спектрекривых распределения энергии в спектре
излучения черного телаизлучения черного тела
Задание:
рассмотрите графики.
Зная свойства абсолютно
черного тела, попробуйте
сформулировать с их помощью
два вывода, к которым пришел
В.Вин.

24. Пример экспериментально полученныхПример экспериментально полученных
кривых распределения энергии в спектрекривых распределения энергии в спектре
излучения черного телаизлучения черного тела
• При заданном значении температуры Т
интенсивность излучения черного тела
максимальна и соответствует
определенному значению длины волны λ.
• Закон В. Вина: при изменении
температуры длина волны, на которую
приходится максимальная энергия,
убывает обратно пропорционально
температуре,

25. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон смещения Вина
Вильгельм Вин
1864-1928
Здесь ω = 2π ν

26. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон смещения Вина
Вильгельм Вин
1864-1928

27. Законы излучения абсолютно черного тела
Второй закон излучения Вина
Вильгельм Вин
1864-1928
С учетом предыдущей
Формулы получаем
2-й закон Вина

28. Законы излучения абсолютно черного тела
Второй закон Вина
Вильгельм Вин
1864-1928
Используя законы термодинамики, В.Вин получил
закон распределения энергии в спектре черного тела,
который совпадал с экспериментальными
результатами лишь в области больших частот.

29. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон Релея-Джинса
Дж.Релей (Стретт) Д. Джинс
(1842-1919) (1877-1946)
Д. Релей (1905) и Д. Джинс определяли f(ω,T), исходя из
классических представлений и основываясь на известном
законе о равномерном распределении энергии по степеням
свободы. Они получили, что

31. Формула Планка
М.Планк
(1858-1947)
Комбинируя закон Релея-Джинса и формулу Вина, немецкий
ученый Макс Планк в 1900 году получил формулу,
которая точно описывала весь спектр излучения абсолютно черного
тела

32. Формула Планка
О степени соответствия
между формулой Планка
и экспериментальными
данными можно судить
по рисунку из учебника
Е.В. Шпольского, где по
оси ординат отложены
процентные отклонения

33. Гипотеза Планка
М.Планк
(1858-1947)
Планку для объяснения этой формулы пришлось
отказаться от установившегося положения
классической физики, согласно которому энергия
любой системы может изменяться непрерывно,
т. е. может принимать любые сколь угодно близкие
значения.
Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе,
атомные осцилляторы изучают энергию
не непрерывно, а определенными порциями —
квантами, причем энергия кванта пропорциональна
частоте колебания:

34. Гипотеза Планка
М.Планк
(1858-1947)
Через 8 недель после полуэмпирического открытия
своей формулы Планк представил её теоретический
вывод на заседании Немецкого физического общества.
Это случилось 14 декабря 1900 г. и
этот день стал днем рождения квантовой физики.
При выводе формулы Планк выдвинул гипотезу, в корне
противоречащую всему построению классической физики:
излучение (позже, и поглощение) происходит не
непрерывно, а конечными порциями - квантами света
или квантами энергии.

35. Вывод формулы Планка
М.Планк
(1858-1947)
Планк исходил из закона Релея-Джинса
<ε> = kT можно рассматривать, как энергию одного осциллятора
А если осцилляторов много? Надо вычислить среднюю энергию. Функция
распределения осцилляторов по энергии определяется
И мы получаем формулу
Релея-Джинса, которая
справедлива только при
низких температурах –
ИК - излучение

36. Вывод формулы Планка
М.Планк
(1858-1947)
Исходим из закона Релея-Джинса, который запишем в виде
Если энергия между осцилляторами изменяется непрерывным
образом, то <ε> = кТ
Планк предположил, что число осцилляторов конечно и энергия
одного осциллятора равна ε0 = hν= Тогда

37. Рождение квантовой физики
М.Планк
(1858-1947)
- формула Планка

38. Свойства формулы Планка
М.Планк
(1858-1947)

40. Профессор Звонов Валерий Степанович
Санкт-Петербургский университет государственной
противопожарной службы МЧС России
кафедра Физики и теплотехники
v_zvonov@mail.ru
БЛАГОДАРЮ ЗА
ВНИМАНИЕ