Излучение. Закон Стефана-Больцмана

Тепловое излучение есть результат сложных внутриатомных процессов. Оно определяется тепловым состоянием или температурой тел, которые его испускают. Носителем теплового излучения является поток частиц энергии, называемых фотонами или квантами энергии. По­ток фотонов обладает свойствами электромагнитных волн. Все виды электромагнитного излучения, имеют одинаковую природу и разли­чаются лишь длиной волны λ (от 0,05- 10~^s мкм — космического до x_HIi — радиоволнового). Область длин волн от А, = 0,4 мкм до а = = 0,8 мкм соответствует видимому (световому) излучению. Тепловое или инфракрасное излучение характеризуется длинами волн 0,8...

800 мкм: Оно представляет наибольший интерес. Процесс распростра­нения инфракрасных и световых лучей называется тепловым излуче­нием или радиацией.

С другой стороны, к видимой области примыкает коротковолновое ультрафиолетовое излучение (λ = 2-10"²...0,4 мкм). Рентгеновские лучи характеризуются еще меньшей длиной волны (λ = 10~°...-2- 1С "^а мкм).

Несмотря на разнообразие свойств излучения, в различных областях длин волн для него могут быть установлены некоторые общие законы. Так, известные из оптики законы распространения, отражения ипре­ломления видимого света остаются справедливыми и для излучения волн любой длины а.

Энергия, излучаемая телом, или поток излучения Ф_е, падая на
другие тела, частично ими поглощается, частично отражается и час­-
тично проходит сквозь их толщу. Отношение потока излучения, погло-­
щенного телом Ф_а,_,, к потоку излучения, падающему на тело Ф_с, на­-
зывается коэффициентом поглощения тела а = Ф_Л/Ф_е; отношение от­-
раженного Ф_р к падающему — коэффициентом отражения р = Ф_р/Ф_е
и отношение пропущенного Ф_т к падающему — коэффициентом про­
пускания Т = Ф_т/Ф_е.

Если р = 0 и Т = 0, то а = 1, то есть тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Такое тело называют абсолютно черным телом или полным излучателем. В природе абсолютно черных тел нет и, следовательно, для физических тел всегда а < 1.

Тела, у которых а == 0, р = 0 и Т= 1, называют прозрачными или диатермичными телами. Прозрачными (проницаемыми) для тепловых лучей являются, в частности, двухатомные газы О₂, N₂ и Н._;.

Тела, у которых а = 0, Т = 0 и р == 1 и процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики, называют зеркальными, если же отражение диффузное — абсолютно белыми.

Согласно закона Стефана-Больцмана, количество энергии Е_о (Дж), излучаемой абсолютно черным телом, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела Т:

, (2.30)

где С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный С_о=5,77 Вт/(м^2.К⁴).

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое поглощает всю лучистую тепловую энергию. Если часть энергии отражается от тела, то оно называется серым и характеризуется коэффициентом черноты = Е/Ео, т.е. отношением энергии, излучаемым серым телом Е, к энергии излучения абсолютно черного тела Е_о..

Закон Стефана-Больцмана справедлив и для серых тел:

, (2.31)

где С – коэффициент излучения серого тела, который изменяется в пределах от 0 до 5,67 .

Коэффициенты черноты некоторых тел:

Таблица 2.3

Теплообмен излучением между двумя параллельными поверхностями с коэффициентами излучения С₁ и С₂ вычисляется по уравнению:

, (2.32)

где С_пр – приведенный коэффициент излучения, равный

. (2.33)