Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Promieniowanie cieplne to fale elektromagnetyczne emitowane przez naładowane elektrycznie cząstki w wyniku ich ruchu termicznego w materii.
Metalowe pręty nagrzane w hucie jasno świecą. To jest promieniowanie cieplne. Czy tylko ciała o bardzo wysokich temperaturach emitują promieniowanie cieplne? Okazuje się, że źródłem tego promieniowania jest każde ciało o temperaturze powyżej zera absolutnego. Dlaczego nie widzimy tego promieniowania emanującego z otaczających nas obiektów? Odpowiedź znajdziesz w tym artykule.
Przyczyny promieniowania cieplnego i jego właściwości
Wszystkie ciała składają się z atomów lub cząsteczek, które są w nieustannym przypadkowym ruchu. Nawet cząsteczki ciał stałych „zamknięte” w sieci krystalicznej wykonują chaotyczne wibracje. Ten przypadkowy ruch atomów i cząsteczek nazywa się ruchem termicznym. W wyniku zderzeń i oddziaływań międzycząsteczkowych energia poszczególnych cząsteczek nieustannie się zmienia. Doświadczają przyspieszeń i wibracji. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanych elektronów. Kiedy naładowana cząstka porusza się z przyspieszeniem, emituje falę elektromagnetyczną.
Wszystkie ciała o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273,15℃, 0K) emitują promieniowanie cieplne. Fale elektromagnetyczne padające na ciało mogą być przez nie pochłaniane. Im więcej energii pochłania ciało w stałej temperaturze, tym więcej energii wypromieniowuje. Stosunek promieniowania pochłoniętego i emitowanego nie zależy od natury ciała - dla wszystkich ciał jest to ta sama funkcja temperatury i długości fali.
Dlaczego widzimy tylko promieniowanie cieplne z bardzo gorących ciał, jak metalowy pręt w hucie?
Światło jest falą elektromagnetyczną. Każdy kolor światła ma swoją długość fali. Światło czerwone ma najdłuższą długość fali, niebieskie i fioletowe najkrótszą. Światło białe jest mieszaniną wszystkich kolorów pojawiających się w tęczy, która powstaje, gdy białe światło rozszczepia się na kropelki wody w atmosferze (Rys. 1.).
Ryż. 1. Tęcza. Każdy kolor światła ma swoją własną długość fali, od najwyższej dla światła czerwonego do najniższej dla fioletu.
Kiedy podgrzejesz metalowy pręt, na przykład nad palnikiem gazowym, do około 500°C, zauważysz, że świeci on na czerwono. Wraz ze wzrostem temperatury pręta kolor światła zmienia się na pomarańczowy, żółty, a następnie biały. Wzrost temperatury powoduje emisję fal elektromagnetycznych o coraz krótszych długościach.Równocześnie ze wzrostem temperatury pręt świeci coraz intensywniej – mówimy, że natężenie napromienienia wzrasta, tj. energia promieniowania uwalniana przez 1 sekundę na 1 m2 powierzchni ciała.
Wszystkie gorące ciała świecą. Okazuje się, że niskotemperaturowe ciała, które nie świecą światłem widzialnym, również emitują promieniowanie, ale w zakresie długości fal więcej niż światło widzialne. Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem podczerwonym. Jest niewidoczny dla naszych oczu, ale przenosi energię cieplną. Promieniowanie podczerwone wykorzystuje się np. do ogrzania ciała specjalną lampą na podczerwień (ryc. 2.). Widzimy, że lampa świeci raczej słabym czerwonym światłem, ale jej promieniowanie w niewidocznym dla nas zakresie podczerwieni jest znacznie intensywniejsze. Możemy jedynie odczuć jego skutki w postaci ciepła ciała.
Ryż. 2. Lampa zabiegowa na podczerwień emituje promieniowanie cieplne głównie w zakresie długości fali dłuższym niż światło widzialne.
Ten przykład pokazuje, że promieniowanie cieplne nie ogranicza się do wąskiego zakresu długości fal. Ciała emitują promieniowanie o dowolnej długości fali w bardzo szerokim zakresie od ultrafioletu do podczerwieni, ale maksimum tego promieniowania występuje w pewnym zakresie długości fal, w zależności od temperatury.
Tak więc w lampie na podczerwień maksymalne promieniowanie przypada na zakres długości fal odpowiadający promieniowaniu podczerwonemu, podczas gdy w innych zakresach promieniowanie jest znacznie słabsze. Kiedy metalowy pręt jest podgrzewany do czerwieni, oprócz czerwonego światła, które widzimy, emitowane jest również promieniowanie podczerwone, które jest odczuwane jako uczucie ciepła. Dalszy wzrost temperatury prowadzi do zwiększenia udziału fal krótkich, w wyniku czego kolor pręcika zmienia się na żółty, a następnie na biały. Pręt nadal emituje światło czerwone i promieniowanie podczerwone, ale ich udział w całkowitym promieniowaniu jest mniejszy.
Światło słoneczne emitowane z powierzchni Słońca o temperaturze około 6000 K zawiera światło widzialne w całym zakresie długości fal, a także niewidzialne dla nas promieniowanie ultrafioletowe (UV) o długości fal krótszych niż światło widzialne. To dzięki temu promieniowaniu się opalamy.
Jaki jest powód, dla którego dominująca długość fali promieniowania cieplnego maleje wraz ze wzrostem temperatury? Wzrost temperatury oznacza wzrost średniej energii kinetycznej cząsteczek, aw konsekwencji wzrost średniej energii promieniowania emitowanego przez cząstki. Im większa energia promieniowania, tym krótsza długość fali.
Widmo promieniowania cieplnego
Zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a pokazują nam niezwykłe, dynamiczne wydarzenia we wszechświecie. Jeden z nich pokazuje zderzenie dwóch galaktyk, które są ogromnymi zbiorami wielu miliardów gwiazd, gazu i pyłu międzygwiezdnego. Zderzenie spowodowało wybuchowe formowanie się nowych gwiazd. Ale skąd możemy wiedzieć, które gwiazdy są młode, nowo powstałe, a które stare? Informacje te uzyskujemy, analizując widma emisji termicznej gwiazd.
Ryż. 3. Zderzenie dwóch galaktyk uchwyconych przez teleskop Hubble'a. Źródło zdjęcia – ESA
Wiemy z doświadczenia, że ciała w bardzo wysokich temperaturach, takie jak ciekły metal czy fotosfera Słońca, świecą białym światłem. Jeśli to światło przejdzie przez pryzmat, rozszczepi się na różne kolory (ryc. 4). Każdy kolor odpowiada innej długości fali elektromagnetycznej, od 400 nm dla fioletu do 700 nm dla czerwieni. Dzieląc światło białe na poszczególne barwy otrzymujemy widmo światła białego (rys. 5).
Ryż. 4. Światło rozszczepia się w pryzmacie na poszczególne kolory, tworząc widmo światła białego
Ryż. 5. Widmo światła białego
Widmo emisyjne to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na różnych długościach fal.
Rozszczepienie światła białego pokazuje z jakich kolorów składa się światło, ale nie informuje jaka jest moc promieniowania we wszystkich kolejnych miejscach widma barwnego. W celu dokładniejszego zbadania widma emisyjnego konieczne jest przesunięcie czujnika, takiego jak fotokomórka, wzdłuż widma, aby zmierzyć moc dla każdej długości fali.Zmierzona ilość energii promieniowania w określonych zakresach długości fal światła pozwala na wykreślenie krzywej rozkładu widmowego (Rys. 6.).
Ryż. 6. Krzywa rozkładu widmowego przedstawia zmierzoną energię promieniowania w określonych zakresach widmowych
Na ryc. 7 przedstawia krzywą rozkładu widmowego promieniowania słonecznego. Oś pionowa przedstawia energię promieniowania w zakresie długości fal (λ, λ + Δλ) emitowaną w jednostce czasu, oś pozioma przedstawia długość fali promieniowania λ wraz z zakresem długości fal światła widzialnego. Promieniowanie słoneczne wykracza daleko poza ten zakres. Zawiera promieniowanie ultrafioletowe o długości fali krótszej niż światło widzialne i promieniowanie podczerwone o długości fali dłuższej niż światło widzialne. Światło słoneczne zawiera wszystkie długości fal światła widzialnego, więc postrzegamy światło słoneczne jako białe.
Ryż. 7. Krzywa rozkładu widmowego promieniowania słonecznego - zależność natężenia promieniowania od długości fali
Maksimum wykresu występuje przy długości fali około 500 nm, co odpowiada zielonemu.
Położenie maksimum promieniowania jest określone przez temperaturę ciała emitującego. Im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali maksimum promieniowania (rys. 8.). Z tego powodu, gdy ogrzane ciało zaczyna świecić, najpierw świeci na czerwono, a wraz ze wzrostem temperatury kolor zmienia się na żółty, a ostatecznie na biały, gdy zwiększa się udział światła o krótszych falach.
Ryż. 8. Krzywe rozkładu widmowego promieniowania cieplnego dla różnych temperatur ciała promieniującego
Promieniowanie emitowane przez ludzi i większość otaczających nas obiektów nie jest widoczne, ponieważ maksymalne promieniowanie mieści się w zakresie podczerwieni. Nasze oczy nie są w stanie dostrzec takiego promieniowania, ale można je wykryć za pomocą kamery termowizyjnej rejestrującej promieniowanie podczerwone.
Krzywe rozkładu widmowego promieniowania cieplnego dla wyższych temperatur są wyższe niż dla niższych. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury ciała wzrasta całkowita energia promieniowania. Obszar pod wykresem (patrz rysunek 7) jest miarą całkowitej energii emitowanej na jednostkę powierzchni ciała. Energia emitowana przez pojedynczą powierzchnię silnie zależy od temperatury. Dlatego ciała o bardzo wysokiej temperaturze świecą znacznie jaśniej niż ciała o niższej temperaturze.
Wzory odzwierciedlające zależność promieniowania cieplnego od temperatury
Tak więc maksimum krzywej widmowego rozkładu promieniowania przesuwa się w kierunku krótszych fal wraz ze wzrostem temperatury. Długość fali λmaxodpowiadająca maksymalnemu promieniowaniu jest odwrotnie proporcjonalna do bezwzględnej temperatury ciała: λmax=b / T, gdzie b=2,89810-3 m·K - współczynnik proporcjonalności (stała Wiena). Ta formuła nazywa się prawem przesunięcia Wiena.
Analiza wykresów na ryc. 8 pozwala wyciągnąć jeszcze jeden wniosek. Widzimy, że krzywe dla wyższych temperatur leżą coraz wyżej. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury ciała wzrasta całkowita energia promieniowania. Te relacje są bardzo silne. Energia promieniowania jest wprost proporcjonalna do T4Zależność energii promieniowania od temperatury, zwana prawem Stefana-Boltzmanna, ma postać: E=σT4, gdzie
gdzie E to energia wypromieniowana na jednostkę powierzchni ciała i na jednostkę czasu, T to temperatura w skali Kelvina, a σ to stała Stefana-Boltzmanna, która jest równa: σ=5,67 - 10-8W / (m2K4).
Znajomość krzywej rozkładu widmowego pozwala określić temperaturę odległego świecącego obiektu. Jeżeli wyznaczymy długość fali odpowiadającą maksimum krzywej, to po przekształceniu wzoru Wiena otrzymamy temperaturę obiektu: T=b / λmax .
W ten sposób bez opuszczania Ziemi ustalana jest temperatura Słońca i innych gwiazd. Okazuje się, że nasze Słońce promieniuje w taki sposób, że krzywa rozkładu widmowego odpowiada temperaturze około 5800 K - średniej temperaturze powierzchni Słońca.
Jeśli znamy odległość do gwiazdy, możemy obliczyć jej średnicę na podstawie analizy promieniowania cieplnego. Intensywność promieniowania maleje wraz z odległością, ale znając odległość możemy obliczyć całkowitą energię emitowaną przez gwiazdę. Teraz wystarczy podzielić całkowitą energię przez energię emitowaną na jednostkę powierzchni, uzyskaną z prawa Stefana-Boltzmanna, aby otrzymać powierzchnię dysku gwiazdy, z której dociera do nas promieniowanie.
References
- Tashlykova-Bushkevich II Fizyka. Uch. dodatek. O 2 h. Część 2. Mińsk, 2008.
- Savelyev I. V. Kurs fizyki ogólnej. - V. 3. Optyka kwantowa. Fizyka atomowa. Fizyka ciała stałego. Fizyka jądra atomowego i cząstek elementarnych.
- Kuenzer, C. and S. Dech (2013): Teledetekcja termiczna w podczerwieni: czujniki, metody, zastosowania (=teledetekcja i cyfrowe przetwarzanie obrazu 17). Dordrecht: Springer.
- Fizyka. Klasa 11: podręcznik. dla edukacji ogólnej instytucje: podstawowe i profilowe. poziomy / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; wyd. VI Nikolaev, NA Parfenteva. - 19 wyd. - M.: Oświecenie, 2010. - 399 s.