Тепловое излучение твердых тел

1. Людвиг Больцман
2. Йозеф Стефан

Светятся тела, нагретые до очень высоких температур - чем выше температура, тем ярче светит тело, и, следовательно, посылает больше энергии. Цвет света также изменяется: при температуре около 500 ° C свет, излучаемый нагретым телом, становится темно-красным, при повышении температуры цвет тела сначала становится оранжевым, затем светло-желтым, бело-желтым и, наконец, белым. Почему это так? Вы узнаете это из сегодняшнего урока.

Источник: Эрих Фердинанд, Flickr, CC BY https://www.flickr.com/photos/erix/3482746225/sizes/o/ ,. Почему металл в жидком состоянии светится, как работает ночное видение или можно измерить температуру объекта на расстоянии? Ответы на эти разные вопросы возможны благодаря одному физическому явлению

Вы можете сделать это уже

• дать определение электромагнитной волны;

• представить классификацию электромагнитных волн по их длине;

• дать характеристику диапазона длин волн видимого света;

• дать определение температуры как пропорциональной средней кинетической энергии молекул.

Вы узнаете

• указать определение теплового (теплового) излучения;

• дать определение черного тела;

• описать непрерывный спектр излучения тела и влияние температуры тела на интенсивность излучения, испускаемого этим телом.

Тепловое (тепловое) излучение это электромагнитное излучение, источником которого являются тела (независимо от их агрегатного состояния), расположенные при температуре выше абсолютного нуля. Тепловая энергия атомов и молекул в наблюдаемом теле отвечает за излучение теплового излучения. Когда тепловое излучение проходит через спектроскоп создает спектроскопический спектр - красочное изображение испускаемого излучения для отдельных длин волн (значений энергии).

Опыт 1

Генерация и наблюдение спектра теплового излучения.

Что вам нужно?Инструкции

1. Из черной бумаги вырежьте прямоугольник с размерами прозрачности, чтобы он вписывался в рамку проектора.

2. Разрежьте отрезанный прямоугольник наполовину вдоль его длинной стороны, чтобы при вставке бумаги в рамку в середине рамки образовалась вертикальная щель.

3. Поместите черный прямоугольник с прорезью внутри проектора.

4. Расположите проектор на расстоянии 1–2 м от экрана.

5. Включите проектор и установите его фокус.

6. Поместите проектор между проектором и экраном на основании призмы так, чтобы свет, проходящий через отверстие, падал на одну из его стен.

7. Если вы хотите использовать мультимедийный проектор, стоит посмотреть анимацию ниже.

Спектр теплового (теплового) излучения лампы проектора непрерывный.

Проектор показан. Затем ноутбук. Приложение для рисования включено. Демонстратор меняет фон на черный и рисует толстую белую линию. Затем он включает проектор и показывает созданную им графику. Затем он размещает наложение разделителя света. Радуга видна на экране.

shuffle Shuffle skip_previous Предыдущее play_circle_outline pause_circle_outline Воспроизведение / пауза skip_next Следующий повтор Повтор

volume_upvolume_off

Отключение звука / включение звука

объем

access_voice_over accessibility Переключить режим доступности

субтитры Переключить субтитры

fullscreen fullscreen_exit Переключить в полноэкранный режим

Источник: Завтра Sp. z oo, лицензия: CC BY 3.0. Спектр теплового (теплового) излучения, создаваемого лампой проектора

Фильм доступен на портале epodreczniki.pl.

Источник: Завтра Sp. z oo, лицензия: CC BY 3.0. Спектр теплового (теплового) излучения, создаваемого лампой проектора

Проектор показан. Затем ноутбук. Приложение для рисования включено. Демонстратор меняет фон на черный и рисует толстую белую линию. Затем он включает проектор и показывает созданную им графику. Затем он размещает наложение разделителя света. Радуга видна на экране.

Тела с температурой выше 0 К (-273,15 ° С) могут излучать и поглощать (поглощать) электромагнитное излучение. Тело (при постоянной температуре) поглощает больше энергии, чем больше оно излучает. Кирхгоф показал, что отношение поглощенного излучения к излучаемому не зависит от природы тела - для всех тел оно одинаково зависит от температуры и длины волны.

Способность тела излучать и поглощать излучение позволяет объяснить существование цветов. Цвет тела зависит как от спектрального состава падающего электромагнитного излучения, так и от длин волн, которые поглощаются организмом лучше или хуже. Если бы тело получало синий свет и тело почти полностью поглощало его, то цвет этого тела, зафиксированный человеческим глазом, был бы черным.

Для описания теплового излучения, его излучения и поглощения телом была создана модель черное тело , Это тело, которое полностью поглощает электромагнитное излучение, которое падает на него, независимо от длины волны и температуры, при которой происходит этот процесс. На самом деле нет абсолютно чёрных тел, но мы можем построить модели, приближенные к ним. Одним из них может быть небольшая дыра в сплошном пустом внутри. Луч любой длины волны падает через отверстие в углубление, где он отражается многократно, и вероятность того, что этот луч обратно выйдет из полости, практически равна нулю. Определенным приближением этого явления является также ситуация, в которой - когда мы смотрим со стороны - нам кажется, что в комнате с открытыми окнами темно. Человек, находящийся в этой комнате, не производит такого впечатления.

Однако в этот момент следует подчеркнуть, что такое тело будет казаться нам черным только тогда, когда мы регистрируем видимое излучение. Если температура выше абсолютного нуля, стены будут излучать энергию. Если бы стены имели температуру 500 ℃, они бы сияли красным, и он вылетел бы через отверстие, которое было бы источником этого света. Парадокс очевиден - в определении совершенно черного тела говорят только о поглощении падающего излучения.

Источник: Кшиштоф Яворский, лицензия: CC BY 3.0. Объясните, почему луч, проходящий через маленькое отверстие, полностью поглощается

Предположение, что источником теплового излучения являются черные тела, значительно облегчило математическое описание, но ни один важный аспект этого явления не был опущен в таком теоретическом описании.

Тепловое излучение - это излучение с широким диапазоном длин волн и различным распределением интенсивности излучения, которое зависит от температуры тела.

Источник: Кшиштоф Яворский, лицензия: CC BY 3.0. Распределение интенсивности излучения в зависимости от длины волны для разных температур

Интенсивность излучения определялась по вертикальной оси. Это значение равно энергии, испускаемой за одну секунду на 1 м² тела, которое посылает электромагнитную волну заданной длины. Напомним, что видимым диапазоном является излучение с длиной волны от 400 до 700 нм. Поскольку количество посылаемой энергии зависит также от температуры тела, на графике показаны кривые, соответствующие телам с разными температурами.

Ход графика для данной температуры показывает, что интенсивность излучения различна по отношению к разным длинам волн. Это означает, что при постоянной температуре для каждой длины волны, обнаруженной в спектре теплового излучения, количество энергии, излучаемой организмом, различно. На каждой из них есть длина волны, на которой тело посылает больше энергии - максимум излучения при данной температуре.

Когда мы сравниваем графики для разных температур, мы замечаем, что чем выше температура тела, тем больше максимум смещается в сторону более коротких длин волн, и весь график выше. Это означает, что тело излучает больше энергии для всех волн - как длинных, так и коротких. Максимум излучения также повышен. Отсюда следует, что при более высоких температурах тела они выделяют больше энергии.

Это явление также сопровождается изменением цвета света, излучаемого организмом. Если мы предварительно нагреем металлический шар, мы заметим, что его цвет изменится с темно-красного, оранжевого до белого. При низких температурах в основном отправляется красный свет, при более высоких - красный и синий (также желтый или зеленый). Таким образом, тело сияет все больше и больше белого света.

Фильм показывает связь между повышением температуры света и цветом света. Горизонтально расположенный прямоугольный экран. Горизонтальная горелка на левой стороне экрана. Пламя в белой горелке. Желтый круг над пламенем факела. Диаметр колеса составляет около трех сантиметров. Цифровая шкала справа. Числа в масштабе расположены вертикально один над другим. Самая низкая температура составляет пятьсот двадцать градусов по Цельсию. Более пятисот восемьдесят градусов, шестьсот пятьдесят. Самая высокая температура на шкале составляет тысячу двести пятьдесят градусов. Вертикальный прямоугольный пояс слева от шкалы. Поверхность прямоугольника имеет цвет света. Цвета меняются по интенсивности в зависимости от температуры. Самый низкий красный цвет. Красный постепенно переходит в оранжевый. Тогда шкала желтая и максимум белая. Горизонтальный подвижный индикатор на цветном прямоугольнике. Индикатор движется вверх.

shuffle Shuffle skip_previous Предыдущее play_circle_outline pause_circle_outline Воспроизведение / пауза skip_next Следующий повтор Повтор

volume_upvolume_off

Отключение звука / включение звука

объем

access_voice_over accessibility Переключить режим доступности

субтитры Переключить субтитры

fullscreen fullscreen_exit Переключить в полноэкранный режим

Источник: Марцин Садомски, Кевин Маклеод (http://incompetech.com), Tomorrow Sp. z oo, Кшиштоф Яворский, лицензия: CC BY 3.0. Когда температура света увеличивается, цвет меняется

Фильм доступен на портале epodreczniki.pl.

Источник: Марцин Садомски, Кевин Маклеод (http://incompetech.com), Tomorrow Sp. z oo, Кшиштоф Яворский, лицензия: CC BY 3.0. Когда температура света увеличивается, цвет меняется

Фильм показывает связь между повышением температуры света и цветом света. Горизонтально расположенный прямоугольный экран. Горизонтальная горелка на левой стороне экрана. Пламя в белой горелке. Желтый круг над пламенем факела. Диаметр колеса составляет около трех сантиметров. Цифровая шкала справа. Числа в масштабе расположены вертикально один над другим. Самая низкая температура составляет пятьсот двадцать градусов по Цельсию. Более пятисот восемьдесят градусов, шестьсот пятьдесят. Самая высокая температура на шкале составляет тысячу двести пятьдесят градусов. Вертикальный прямоугольный пояс слева от шкалы. Поверхность прямоугольника имеет цвет света. Цвета меняются по интенсивности в зависимости от температуры. Самый низкий красный цвет. Красный постепенно переходит в оранжевый. Тогда шкала желтая и максимум белая. Горизонтальный подвижный индикатор на цветном прямоугольнике. Индикатор движется вверх.

Источник: Сакурамбо (http://commons.wikimedia.org), Гринджер (http://commons.wikimedia.org), издание: Кшиштоф Яворский, лицензия: CC BY-SA 3.0. Длина волны красного света больше, чем длина волны фиолетового света. Определение ультрафиолетового излучения относится к излучению с длиной волны, меньшей длины волны фиолетового света (так называемое ультрафиолетовое излучение), а к инфракрасному (инфракрасному) признаку - излучению с длиной волны, превышающей красный свет, то есть так называемому инфракрасному излучению.

* Максимальная длина волны теплового излучения, при которой длина волны составляет права венских переводов.

Диапазон длин волн теплового излучения выходит далеко за пределы диапазона, характерного для видимого света. Тепловое излучение может достигать максимальной интенсивности на длине волны, соответствующей микроволновому излучению. Интересным примером такой ситуации является реликтовое излучение Вселенной (миллиметровая длина волны), которое приблизительно соответствует излучению черного тела при температуре, близкой к 3 К. Реликтовое излучение, также известное как фоновое излучение, присутствует во всей Вселенной. Источником этого излучения является не материя (галактики, звезды). Скорее всего, это остаток Большого взрыва, который породил нашу Вселенную. В свою очередь, бытовые предметы излучают чаще всего тепловое излучение, максимум которого приходится на инфракрасное излучение.
Благодаря распределению интенсивности излучения и его зависимости от температуры тела мы можем проводить бесконтактное измерение температуры тела с помощью тепловизионной камеры.

Источник: НАСА (http://commons.wikimedia.org), издание: Кшиштоф Яворский. Изображение, записанное тепловизионной камерой

* Закон Стефана-Больцмана описывает соотношение между полной (во всех длинах волны) энергии, излучаемой единицей поверхности черного тела в единицу времени, и абсолютной температурой этого тела.

Максимальная длина волны теплового излучения, при которой длина волны является содержанием закона смещения Вены, выражается формулой:
λ max = b T
где:
б - константа вена; b = 2,89 · 10 - 3 м · K;
Т - температура тела, выраженная в абсолютной шкале.

Как вы могли прочитать выше, с ростом температуры количество энергии, которую тело посылает в форме волны заданной длины, увеличивается. Если мы суммируем энергию, посылаемую для отдельных длин волн, мы получаем полную энергию, которую один квадратный метр поверхности тела посылает за одну секунду. Расчеты с использованием высшей математики позволяют сделать вывод, что излучаемая энергия пропорциональна четвертой степени температуры тела, выраженной в Кельвинах. Это включено в закон Стефана-Больцмана (для центральной температуры 0 K):
E = σ · T 4, где σ - постоянная, значение которой составляет 5,67 · 10 - 8 Дж с · м 2 · K - 4

Источник: nn. (Http://commons.wikimedia.org).

Источник: К. Шенбауэр (http://commons.wikimedia.org).

Мы можем проверить право этого права немедленно. Если подвести руку сбоку (не сверху) к радиатору с температурой 40 ℃ (313 К), мы едва почувствуем, что он нагревается. Однако, если температура радиатора составляет 90 ℃ (363 К), создается впечатление, что он нагревается. Подобный эффект также заметен при наблюдении солнечных пятен. Мы думаем, что они черные. Удивительно, что область пятна имеет температуру около 500 К, что больше температуры жидкого железа. Почему тогда пятно кажется черным? Температура областей вокруг пятна составляет около 6000 К. Пятна посылают меньше энергии, чем окружающая среда. Сколько раз? Получается, что более чем в 3 раза меньше каждого квадратного метра. Контраст с областью, окружающей пятно, делает пятно черным.

команда:
Выполните соответствующие расчеты и покажите, что точка 4500 K излучает примерно в 3 раза меньше энергии, чем область с идентичной площадью и температурой 6000 K.

Предупреждение:
Никогда не смотрите на Солнце через телескоп или бинокль. Это приведет к необратимому повреждению глаз! Приборы наблюдения для этой цели специально сконструированы (они оснащены фильтрами из алюминиевой фольги, отражающими более 99,99% света).

• Тепловое (тепловое) излучение - это электромагнитное излучение, источником которого являются тела, расположенные при температуре выше абсолютного нуля.

• Тепловая энергия атомов и молекул в наблюдаемом теле отвечает за излучение теплового излучения.

• Спектр теплового излучения твердых тел и жидкостей непрерывен.

• Тела с температурой выше 0 K (- 273,15 ° C) могут излучать и поглощать (поглощать) электромагнитное излучение. Тело (при постоянной температуре) поглощает больше энергии, чем больше оно излучает. Кирхгоф показал, что отношение поглощенной энергии к излучаемой не зависит от природы тела - для всех тел оно одинаково зависит от температуры и длины волны.

• Способность тел излучать и поглощать излучение позволяет нам объяснить существование цветов. Цвет тела зависит как от спектрального состава падающей электромагнитной волны, так и от того, какие длины волн лучше или хуже поглощаются данным телом. Если бы тело получало синий свет и тело почти полностью поглощало бы его, цвет, зафиксированный человеческим глазом, был бы черным.

• Чтобы иметь возможность описывать тепловое излучение, его излучение и поглощение через тело, была создана модель черного тела. Это тело, которое полностью поглощает электромагнитное излучение, которое падает на него, независимо от длины волны и температуры, при которой происходит этот процесс.

• Если температура тела меняется, характеристики энергетического его теплового излучения также меняются. Повышение температуры соответствует одновременному увеличению общей энергии, излучаемой организмом. Это явление также сопровождается изменением цвета света, излучаемого организмом. Длина волны, для которой излучаемая энергия максимальна, смещается в сторону коротких волн при повышении температуры.

• Горячие тела посылают тепловую энергию в виде длинных и коротких волн. Общая энергия, излучаемая телом, имеющим температуру T, равна E = σ · T 4, если температура окружающей среды равна 0 K (где σ - постоянная, значение которой составляет 5,67 · 10 - 8 Дж с · м 2 K - 4). Эта зависимость известна как закон Стефана-Больцмана. Эта картина показывает очень сильную зависимость излучаемой энергии от температуры.

• Значение, при котором длина волны соответствует максимальной интенсивности теплового излучения, является содержанием закона смещения Вено, выраженного формулой:

λ max = b T

где:
б - константа вена; b = 2,89 · 10 - 3 м · K;
Т - температура тела, выраженная в абсолютной шкале (Кельвин).

домашнее задание

Команда 1.1

Объясните, почему мы не сможем наблюдать тело при 300 К в максимуме его излучения (у нас нет никаких инструментов, и наши глаза не открыты).

Команда 1.2

Почему звезды большого размера посылают больше энергии, чем звезды той же температуры, но меньшего размера?

Команда 1.3

Обоснуйте, почему холодные или более низкотемпературные звезды сияют в небе меньше, чем звезды того же размера, на том же расстоянии, но с более высокой температурой.

Определение: закон естественного распада

- зависимость, определяющая скорость выведения исходной массы вещества, построенного из одного типа частиц, который подвергается естественному, самопроизвольному разрушению. Он используется для определения скорости радиоактивного распада тел, но он относится ко многим физическим процессам.

тело идеально черное

- тело, которое полностью поглощает падающее излучение, то есть во всем диапазоне длин волн. Таких тел на самом деле не существует; мы создаем только их модели, с помощью которых мы изучаем и описываем эмиссионные и абсорбционные свойства исследуемых объектов.

тепловое (тепловое) излучение

- электромагнитное излучение, излучаемое организмом при температуре выше 0 К (абсолютный ноль).

спектроскоп (спектрометр)

- устройство для распределения видимого излучения по отдельным компонентам цвета (спектра) по длине волны. Позволяет определить длину волны данного излучения.

непрерывный спектр

- спектр с непрерывным распределением интенсивности излучения в зависимости от длины волны; в таком спектре нет пробелов.

Источник: nn. (Http://commons.wikimedia.org).

Людвиг Больцман

20.02.1844-5.09.1906

Автор работы, лежащей в основе статистической физики, которую он использовал при описании молекулярной теории газов. В 1884 году теоретически сформулирован закон излучения черного тела.

Источник: К. Шенбауэр (http://commons.wikimedia.org). На основании измерений Йозеф Стефан определил зависимость энергии, излучаемой телом совершенно черного цвета от его температуры (1878)

Йозеф Стефан

24.03.1835-7.01.1893

Профессор Венского университета. Проводил работы по термодинамике, молекулярной физике и оптике.