Ei spun si asta luminozitate energetică- Acest densitatea suprafeței fluxul de radiație emis.
Din punct de vedere numeric, luminozitatea energetică este egală cu modulul mediu în timp al componentei vectoriale Poynting perpendicular pe suprafață. În acest caz, media se realizează pe un timp care depășește semnificativ perioada oscilațiilor electromagnetice.
Radiația emisă poate apărea chiar în suprafață, atunci se vorbește despre o suprafață autoluminoasă. O altă opțiune este observată atunci când suprafața este iluminată din exterior. În astfel de cazuri, o parte din fluxul incident revine în mod necesar ca rezultat al împrăștierii și reflexiei. Atunci expresia pentru luminozitate energetică are forma:
M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)Unde ρ (\displaystyle \rho )Și σ (\displaystyle \sigma)- coeficientul de reflexie și respectiv coeficientul de împrăștiere al suprafeței și - iradierea acesteia.
Alte denumiri de luminozitate energetică, uneori folosite în literatură, dar neprevăzute de GOST: - emisivitateȘi emisivitate integrată.
Densitatea spectrală a luminozității energetice
Densitatea spectrală a luminozității energetice M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda)(\lambda))- raportul mărimii luminozității energetice d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) căzând pe un interval spectral mic d λ , (\displaystyle d\lambda ,), a încheiat între λ (\displaystyle \lambda)Și λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda), la lățimea acestui interval:
Me, λ (λ) = d Me (λ) d λ . (\displaystyle M_(e,\lambda)(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda)).)Unitatea SI este W m−3. Deoarece lungimile de undă ale radiației optice sunt de obicei măsurate în nanometri, în practică este adesea folosită W m -2 nm -1.
Uneori în literatură M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda)) sunt numite emisivitate spectrală.
Analog ușor
M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , λ (λ) V (λ) d λ , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)Unde K m (\displaystyle K_(m))- eficienta maxima a radiatiei luminoase egala cu 683 lm/W in sistemul SI. Valoarea sa numerică rezultă direct din definiția candela.
Informațiile despre alte mărimi fotometrice de energie de bază și analogii lor de lumină sunt date în tabel. Denumirile cantităților sunt date conform GOST 26148-84.
Mărimi SI fotometrice energetice| Nume (sinonim) | Desemnarea cantității | Definiție | Notarea unităților SI | Mărimea luminoasă |
|---|---|---|---|---|
| Energia radiației (energie radiantă) | Q e (\displaystyle Q_(e)) sau W (\displaystyle W) | Energia transferată prin radiație | J | Lumină energie |
| Flux de radiație (flux radiant) | Φ (\displaystyle \Phi ) e sau P (\displaystyle P) | Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) | W | Flux de lumină |
| Intensitatea radiației (intensitatea energiei luminii) | eu e (\displaystyle I_(e)) | Eu e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega))) | W sr −1 | Puterea luminii |
| Densitatea energiei radiației volumetrice | U e (\displaystyle U_(e)) | U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) | J m −3 | Densitatea volumetrică a energiei luminoase |
| Energie luminozitate | L e (\displaystyle L_(e)) | L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2))\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos \varepsilon ))) | W m−2 sr−1 | Luminozitate |
| Luminozitate energetică integrală | Λ e (\displaystyle \Lambda _(e)) | Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") | J m −2 sr −1 | Luminozitate integrală |
| Iradiere (iradiere) | E e (\displaystyle E_(e)) | E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) | W m−2 |
§ 4 Luminozitate energetică. legea Stefan-Boltzmann.
Legea deplasării lui Wien
RE(luminozitate energetică integrată) - luminozitatea energetică determină cantitatea de energie emisă de o unitate de suprafață pe unitatea de timp pe întregul interval de frecvență de la 0 la ∞ la o anumită temperatură T.
Conexiune luminozitate energetică și emisivitate
[ R E ] = J/(m 2 s) = W/m 2
Legea lui J. Stefan (om de știință austriac) și L. Boltzmann (om de știință german)
Unde
σ = 5,67·10 -8 W/(m 2 · K 4) - constanta Steph-on-Boltzmann.
Luminozitatea energetică a unui corp negru este proporțională cu puterea a patra a temperaturii termodinamice.
Legea Stefan-Boltzmann, definind dependentaREpe temperatură nu oferă un răspuns cu privire la compoziția spectrală a radiațiilor corpului negru. Din curbele de dependență experimentalerλ,T din λ la diferit T rezultă că distribuția energiei în spectrul unui corp absolut negru este inegală. Toate curbele au un maxim, care, odată cu creșterea T se deplasează către lungimi de undă mai scurte. Aria limitată de curba de dependențărλ ,T din λ, este egal RE(asta decurge din sens geometric integrală) și proporțională T 4 .
Legea deplasării lui Wien (1864 - 1928): Lungimea, undele (λ max), care explică emisivitatea maximă a a.ch.t. la o anumită temperatură, invers proporțională cu temperatura T.
b= 2,9·10 -3 m·K - constanta lui Wien.
Deplasarea Wien are loc deoarece, pe măsură ce temperatura crește, emisivitatea maximă se deplasează către lungimi de undă mai scurte.
§ 5 Formula Rayleigh-Jeans, formula Wien și catastrofa ultravioletă
Legea Stefan-Boltzmann ne permite sa determinam luminozitatea energeticaREa.ch.t. in functie de temperatura acestuia. Legea deplasării lui Wien leagă temperatura corpului de lungimea de undă la care are loc emisivitatea maximă. Dar nici una, nici cealaltă lege nu rezolvă problema principală a cât de mare este capacitatea de emisie a radiațiilor pentru fiecare λ din spectrul a.ch.t. la o temperatură T. Pentru a face acest lucru, trebuie să stabiliți o dependență funcționalărλ ,T din λ și T.
Bazat pe ideea naturii continue a emisiilor undele electromagneticeîn legea distribuției uniforme a energiilor pe grade de libertate, s-au obținut două formule pentru emisivitatea AC:
- Formula de vin
Unde A, b = const.
- Formula Rayleigh-Jeans
k =1,38·10 -23 J/K - constanta lui Boltzmann.
Testele experimentale au arătat că pentru o anumită temperatură, formula lui Wien este corectă pentru undele scurte și oferă discrepanțe puternice cu experimentul în regiunea undelor lungi. Formula Rayleigh-Jeans s-a dovedit a fi adevărată pentru undele lungi și nu este valabilă pentru cele scurte.
Un studiu al radiațiilor termice folosind formula Rayleigh-Jeans a arătat că, în cadrul fizica clasica este imposibil de rezolvat problema funcției care caracterizează emisivitatea a.ch.t. Această încercare nereușită de a explica legile radiațiilor a.ch.t. Folosind aparatul fizicii clasice, a fost numită „catastrofa ultravioletă”.
Dacă încerci să calculeziREfolosind formula Rayleigh-Jeans, atunci
- “ dezastru ultraviolete”
§6 Ipoteza cuantică și formula lui Planck.
În 1900, M. Planck (un om de știință german) a înaintat o ipoteză conform căreia emisia și absorbția energiei nu are loc continuu, ci în anumite porțiuni mici - cuante, iar energia unui cuantum este proporțională cu frecvența oscilațiilor. (Formula lui Planck):
h = 6,625·10 -34 J·s - constanta lui Planck sau
Unde
Deoarece radiația are loc în porțiuni, energia oscilatorului (atomul oscilant, electronul) E ia numai valori care sunt multipli ai unui număr întreg de porțiuni elementare de energie, adică numai valori discrete
E = n E o = nhν .
Influența luminii asupra cursului proceselor electrice a fost studiată pentru prima dată de Hertz în 1887. El a efectuat experimente cu un descărcator electric și a descoperit că atunci când este iradiat cu radiații ultraviolete, descărcarea are loc la o tensiune semnificativ mai mică.
În 1889-1895. A.G. Stoletov a studiat efectul luminii asupra metalelor folosind următoarea diagramă. Doi electrozi: catodul K din metalul studiat și anodul A (în schema lui Stoletov - o plasă metalică care transmite lumina) într-un tub vidat sunt conectați la baterie astfel încât cu ajutorul rezistenței R puteți modifica valoarea și semnul tensiunii aplicate acestora. Când catodul de zinc a fost iradiat, în circuit a trecut un curent, înregistrat cu un miliampermetru. Prin iradierea catodului cu lumină de diferite lungimi de undă, Stoletov a stabilit următoarele principii de bază:
- Cel mai puternic efect este radiații ultraviolete;
- Când sunt expuse la lumină, sarcinile negative sunt eliberate din catod;
- Puterea curentului generat de lumină este direct proporțională cu intensitatea acesteia.
Lenard și Thomson în 1898 au măsurat sarcina specifică ( e/ m), particulele fiind rupte și s-a dovedit că este egală cu sarcina specifică a unui electron, prin urmare, electronii sunt ejectați din catod.
§ 2 Efect fotoelectric extern. Trei legi ale efectului fotoelectric extern
Efectul fotoelectric extern este emisia de electroni de către o substanță sub influența luminii. Electronii emiși de o substanță în timpul efectului fotoelectric extern se numesc fotoelectroni, iar curentul pe care îl generează se numește fotocurent.
Folosind schema lui Stoletov, următoarea dependență a fotocurentului detensiune aplicată la un flux luminos constant F(adică a fost obținută caracteristica curent-tensiune):La o anumită tensiuneUNfotocurent ajunge la saturațieeu n - toți electronii emiși de catod ajung la anod, de unde curentul de saturațieeu n determinată de numărul de electroni emiși de catod pe unitatea de timp sub influența luminii. Numărul de fotoelectroni eliberați este proporțional cu numărul de cuante de lumină incidente pe suprafața catodului. Iar numărul de cuante de lumină este determinat de fluxul luminos F, incident pe catod. Numărul de fotoniN, căzând în timpt la suprafață este determinată de formula:
Unde W- energia de radiație primită de suprafață în timpul Δt,
Energia fotonică,
F e -flux luminos (putere de radiație).
Prima lege a efectului fotoelectric extern (Legea lui Stoletov):
La o frecvență fixă a luminii incidente, fotocurentul de saturație este proporțional cu fluxul de lumină incidentă:
euS.U.A~ Ф, ν =const
Uh - tensiune de mentinere- tensiunea la care nici un electron nu poate ajunge la anod. În consecință, legea conservării energiei în acest caz poate fi scrisă: energia electronilor emiși este egală cu energia de oprire a câmpului electric
prin urmare se poate găsi viteza maxima fotoelectroni emisiVmax
A doua lege a efectului fotoelectric : viteza inițială maximăVmaxfotoelectronii nu depind de intensitatea luminii incidente (de la F), și este determinată numai de frecvența sa ν
A treia lege a efectului fotoelectric : pentru fiecare substanță care există efect foto „chenar roșu”., adică frecvența minimă ν kp, în funcție de natura chimică a substanței și de starea suprafeței acesteia, la care efectul fotoelectric extern este încă posibil.
A doua și a treia lege ale efectului fotoelectric nu pot fi explicate folosind natura ondulatorie a luminii (sau teoria electromagnetică clasică a luminii). Conform acestei teorii, ejecția electronilor de conducție dintr-un metal este rezultatul „oscillarii” lor. câmp electromagnetic undă de lumină. Odată cu creșterea intensității luminii ( F) energia transferată de electronul metalului trebuie să crească, prin urmare, aceasta trebuie să creascăVmax, iar aceasta contrazice legea a 2-a a efectului fotoelectric.
Deoarece, conform teoriei undelor, energia transmisă de câmpul electromagnetic este proporțională cu intensitatea luminii ( F), apoi orice lumină; frecventa, dar cu o intensitate suficient de mare, ar trebui sa scoata electronii din metal, adica limita rosie a efectului fotoelectric nu ar exista, ceea ce contrazice legea a 3-a a efectului fotoelectric. Efectul fotoelectric extern este inerțial. Dar teoria undelor nu poate explica caracterul inerțial al acesteia.
§ 3 Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern.
Funcția de lucru
În 1905, A. Einstein a explicat efectul fotoelectric pe baza conceptelor cuantice. Potrivit lui Einstein, lumina nu este emisă doar de cuante în conformitate cu ipoteza lui Planck, ci se răspândește în spațiu și este absorbită de materie în porțiuni separate - cuante cu energie E 0 = hv. Quanta radiatie electromagnetica sunt numite fotonii.
Ecuația lui Einstein (legea conservării energiei pentru efectul foto extern):
Incident de energie fotonică hv este cheltuită pentru ejectarea unui electron din metal, adică pentru funcția de lucru Si afarași să comunice energie cinetică fotoelectronului emis.
Se numește energia minimă care trebuie transmisă unui electron pentru a-l îndepărta dintr-un solid în vid functia de lucru.
De când energia Ferm până la E Fdepinde de temperatura si E F, se modifică și odată cu schimbările de temperatură, apoi, în consecință, Si afara depinde de temperatura.
În plus, funcția de lucru este foarte sensibilă la curățarea suprafeței. Aplicarea unui film pe suprafață ( Sa, SG, Va) pe WSi afarascade de la 4,5 eV pentru purW până la 1,5 ÷ 2 eV pentru impuritateW.
Ecuația lui Einstein ne permite să explicăm în c cele trei legi ale fotoefectului extern,
Legea 1: fiecare cuantă este absorbită de un singur electron. Prin urmare, numărul de fotoelectroni ejectați ar trebui să fie proporțional cu intensitatea ( F) Sveta
a 2-a lege: Vmax~ ν etc. Si afara nu depinde de F, apoiVmax nu depinde de F
A 3-a lege: Pe măsură ce ν scade, acesta scadeVmax iar pentru ν = ν 0 Vmax = 0, prin urmare,hν 0 = Si afara, prin urmare, i.e. Există o frecvență minimă de la care este posibil efectul fotoelectric extern.
Radiație termala se numesc unde electromagnetice emise de atomi care sunt excitati de energia miscarii lor termice. Dacă radiația este în echilibru cu materia, se numește radiație termică de echilibru.
Toate corpurile la o temperatură T > 0 K emit unde electromagnetice. Gazele monoatomice rarefiate dau spectre de emisie de linii, gazele poliatomice și lichidele dau spectre cu dungi, adică regiuni cu un set aproape continuu de lungimi de undă. Solidele emit spectre continue constând din toate lungimile de undă posibile. Ochiul uman vede radiația într-un interval limitat de lungimi de undă de la aproximativ 400 la 700 nm. Pentru ca o persoană să poată vedea radiațiile corpului, temperatura corpului trebuie să fie de cel puțin 700 o C.
Radiația termică se caracterizează prin următoarele mărimi:
W- energia radiației (în J);
(J/(s.m 2) - luminozitate energetică (D.S.- zona radianta
suprafaţă). Luminozitate energetică R- în sensul -
este energia emisă pe unitate de suprafață pe unitate
timp pentru toate lungimile de undă l de la 0 la .
Pe lângă aceste caracteristici, numite integrale, mai folosesc caracteristici spectrale, care iau în considerare cantitatea de energie emisă pe unitatea de interval de lungime de undă sau unitatea de interval
absorbție (coeficient de absorbție) este raportul dintre fluxul de lumină absorbit și fluxul incident, luat într-un interval mic de lungimi de undă aproape de o lungime de undă dată.
Densitatea spectrală a luminozității energiei este numeric egală cu puterea de radiație pe unitatea de suprafață a acestui corp într-un interval de frecvență de lățime unitară.
Radiația termică și natura ei. Dezastru ultraviolete. Curba de distribuție a radiației termice. Ipoteza lui Planck.
RADIAȚIE TERMICĂ (radiație de temperatură) - el-magn. radiația emisă de o substanță și care provine din interiorul acesteia. energie (spre deosebire, de exemplu, de luminiscență, care este excitată de surse externe de energie). T. și. are un spectru continuu, a cărui poziție maximă depinde de temperatura substanței. Pe măsură ce crește, crește energie totală emisă de T. și., iar maximul se deplasează în regiunea de lungimi de undă mici. T. și. emite, de exemplu, suprafața metalului fierbinte, atmosfera pământului etc.
T. și. apare în condiții de echilibru detaliat în materie (vezi Principiul de echilibru detaliat) pentru toți neradianții. procese, adică pentru decomp. tipuri de ciocniri de particule în gaze și plasme, pentru schimbul de energii electronice și vibraționale. mișcări în solide etc. Starea de echilibru a materiei în fiecare punct din spațiu este starea de termodinamică locală. echilibru (LTE) - în acest caz se caracterizează prin valoarea temperaturii, de care depinde temperatura. în acest moment.
În cazul general al sistemelor de corpuri, pentru care se efectuează numai LTE și descompunere. punctele de tăiere au diferite temperaturi, T. și. nu este în stare termodinamică. echilibru cu materia. Corpurile mai fierbinți emit mai mult decât absorb, iar cele mai reci fac invers. Există un transfer de radiații de la corpurile mai fierbinți la cele mai reci. Pentru sustinere stare echilibrată, în care se menține distribuția temperaturii în sistem, este necesar să se compenseze pierderea de energie termică cu un corp radiant mai fierbinte și să o îndepărteze din corpul mai rece.
La termodinamică maximă În echilibru, toate părțile unui sistem de corpuri au aceeași temperatură, iar energia energiei termice emisă de fiecare corp este compensată de energia energiei termice absorbită de acest corp. alte corpuri În acest caz, are loc un echilibru detaliat și pentru radiatoare. tranziții, T. și. este în termodinamică echilibru cu substanța și numit radiația este echilibru (radiația unui corp absolut negru este echilibru). Spectrul radiației de echilibru nu depinde de natura substanței și este determinat de legea radiației lui Planck.
Pentru T. și. Pentru corpurile care nu sunt negre, legea radiației lui Kirchhoff este valabilă, conectându-le să emită. și absorb. abilități cu emit. capacitatea unui corp complet negru.
În prezența LTE, aplicând legile radiațiilor lui Kirchhoff și Planck la emisia și absorbția T. și. în gaze și plasme, este posibil să se studieze procesele de transfer al radiațiilor. Această considerație este utilizată pe scară largă în astrofizică, în special în teoria atmosferelor stelare.
Dezastru ultraviolete- un termen fizic care descrie paradoxul fizicii clasice, care constă în faptul că puterea totală a radiației termice a oricărui corp încălzit trebuie să fie infinită. Paradoxul și-a primit numele pentru că densitatea spectrală energia radiației ar fi trebuit să crească nelimitat pe măsură ce lungimea de undă se scurta.
În esență, acest paradox a arătat, dacă nu inconsecvența internă a fizicii clasice, atunci cel puțin o discrepanță extrem de ascuțită (absurdă) cu observațiile elementare și experimentul.
Deoarece acest lucru nu este de acord cu observația experimentală, la sfârșitul secolului al XIX-lea au apărut dificultăți în descrierea caracteristicilor fotometrice ale corpurilor.
Problema a fost rezolvată de teoria cuantică a radiațiilor a lui Max Planck în 1900.
Ipoteza lui Planck este o ipoteză înaintată la 14 decembrie 1900 de Max Planck, care afirmă că în timpul radiației termice energia este emisă și absorbită nu continuu, ci în cuante (porțiuni) separate. Fiecare astfel de porțiune cuantică are o energie proporțională cu frecvența ν a radiației:
unde h sau este coeficientul de proporționalitate, denumit ulterior constanta lui Planck. Pe baza acestei ipoteze, el a propus o derivare teoretică a relației dintre temperatura unui corp și radiația emisă de acest corp - formula lui Planck.
Ipoteza lui Planck a fost ulterior confirmată experimental.
Energia pe care o pierde un corp din cauza radiațiilor termice se caracterizează prin următoarele mărimi.
Fluxul de radiații (F) - energie emisă pe unitatea de timp de pe întreaga suprafață a corpului.
De fapt, aceasta este puterea radiației termice. Dimensiunea fluxului de radiație este [J/s = W].
Luminozitate energetică (Re) - energia radiației termice emisă pe unitatea de timp de la o unitate de suprafață a unui corp încălzit:
În sistemul SI se măsoară luminozitatea energetică - [W/m 2 ].
Fluxul de radiație și luminozitatea energetică depind de structura substanței și de temperatura acesteia: Ф = Ф(Т),
Distribuția luminozității energetice pe spectrul radiațiilor termice o caracterizează densitatea spectrală. Să notăm energia radiației termice emisă de o unitate de suprafață în 1 s într-un interval îngust de lungimi de undă de la λ inainte de λ +d λ, prin dRe.
Densitatea luminozității spectrale (r) sau emisivitatea Raportul dintre luminozitatea energetică dintr-o parte îngustă a spectrului (dRe) și lățimea acestei părți (dλ) se numește:
Forma aproximativă a densității spectrale și a luminozității energetice (dRe) în intervalul de lungimi de undă de la λ inainte de λ +d λ, prezentată în fig. 13.1.
Orez. 13.1. Densitatea spectrală a luminozității energetice
Se numește dependența densității spectrale a luminozității energetice de lungimea de undă spectrul de radiații corporale. Cunoașterea acestei dependențe permite să se calculeze luminozitatea energetică a unui corp în orice interval de lungimi de undă. Formula pentru calcularea luminozității energetice a unui corp într-un interval de lungimi de undă este:
Luminozitatea totală este:
Corpurile nu numai că emit, ci și absorb Radiație termala. Capacitatea unui corp de a absorbi energia radiației depinde de substanța, temperatura și lungimea de undă a radiației. Capacitatea de absorbție a organismului se caracterizează prin coeficientul de absorbție monocromatic α.
Lasă un curent să cadă pe suprafața corpului monocromatic radiație Φ λ cu lungimea de undă λ. O parte din acest flux este reflectată, iar o parte este absorbită de organism. Să notăm mărimea fluxului absorbit Φ λ abs.
Coeficientul de absorbție monocromatic α λ este raportul dintre fluxul de radiație absorbit de un corp dat și mărimea fluxului monocromatic incident:
Coeficientul de absorbție monocromatic este o mărime adimensională. Valorile sale sunt cuprinse între zero și unu: 0 ≤ α ≤ 1.
Funcţie α = α(λ,Τ) , care exprimă dependența coeficientului de absorbție monocromatic de lungimea de undă și temperatură, se numește capacitatea de absorbție corpuri. Aspectul său poate fi destul de complex. Cele mai simple tipuri de absorbție sunt discutate mai jos.
Corp negru pur este un corp al cărui coeficient de absorbție este egal cu unitatea pentru toate lungimile de undă: α = 1.
Corp gri este un corp pentru care coeficientul de absorbție nu depinde de lungimea de undă: α = const< 1.
Absolut corp alb este un corp al cărui coeficient de absorbție este zero pentru toate lungimile de undă: α = 0.
legea lui Kirchhoff
legea lui Kirchhoff- raportul dintre emisivitatea unui corp și capacitatea sa de absorbție este același pentru toate corpurile și este egal cu densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp absolut negru:
= /
Corolarul legii:
1. Dacă un corp la o anumită temperatură nu absoarbe nicio radiație, atunci nu o emite. Într-adevăr, dacă pentru o anumită lungime de undă coeficientul de absorbție α = 0, atunci r = α∙ε(λT) = 0
1. La aceeași temperatură corp negru radiază mai mult decât oricare altul. Într-adevăr, pentru toate corpurile cu excepția negru,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε
2. Dacă pentru un anumit corp determinăm experimental dependența coeficientului de absorbție monocromatic de lungimea de undă și temperatură - α = r = α(λT), atunci putem calcula spectrul radiației sale.
Deci, ce este radiația termică?
Radiația termică este radiația electromagnetică care apare din cauza energiei mișcării de rotație și vibrație a atomilor și moleculelor dintr-o substanță. Radiația termică este caracteristică tuturor corpurilor care au o temperatură peste zero absolut.
Radiația termică a corpului uman aparține domeniului infraroșu al undelor electromagnetice. O astfel de radiație a fost descoperită pentru prima dată de astronomul englez William Herschel. În 1865, fizicianul englez J. Maxwell a demonstrat că radiația infraroșie este de natură electromagnetică și este formată din unde cu lungimea de 760 nm până la 1-2 mm. Cel mai adesea, întreaga gamă de radiații IR este împărțită în zone: aproape (750 nm-2.500nm), medie (2.500 nm - 50.000nm) și pe distanțe lungi (50.000 nm-2.000.000nm).
Să luăm în considerare cazul când corpul A este situat în cavitatea B, care este limitată de o înveliș C ideală reflectorizant (impenetrabilă la radiații) (Fig. 1). Ca urmare a reflexiilor multiple din suprafata interioaraînveliș, radiația va fi stocată în cavitatea oglinzii și parțial absorbită de corpul A. În astfel de condiții, cavitatea sistemului B - corpul A nu va pierde energie, dar va exista doar un schimb continuu de energie între corpul A și radiația care umple cavitatea B.
Fig.1. Reflexia multiplă a undelor termice de pe pereții oglinzilor din cavitatea B
Dacă distribuția energiei rămâne neschimbată pentru fiecare lungime de undă, atunci starea unui astfel de sistem va fi de echilibru, iar radiația va fi de asemenea echilibrată. Singurul tip de radiație de echilibru este termică. Dacă din anumite motive echilibrul dintre radiații și corp se schimbă, atunci astfel de evenimente încep să apară. procese termodinamice, care va readuce sistemul la o stare de echilibru. Dacă corpul A începe să emită mai mult decât absoarbe, atunci corpul începe să piardă energia internă și temperatura corpului (ca măsură energie interna) va începe să scadă, ceea ce va reduce cantitatea de energie emisă. Temperatura corpului va scădea până când cantitatea de energie emisă este egală cu cantitatea de energie absorbită de organism. Astfel, va avea loc o stare de echilibru.
Radiația termică de echilibru are următoarele proprietăți: omogenă (aceeași densitate a fluxului de energie în toate punctele cavității), izotropă ( directii posibile propagarea este la fel de probabilă), nepolarizat (direcțiile și valorile vectorilor de intensitate a câmpului electric și magnetic în toate punctele cavității se schimbă haotic).
Principalele caracteristici cantitative ale radiației termice sunt:
- luminozitate energetică este cantitatea de energie a radiației electromagnetice din întreaga gamă de lungimi de undă ale radiației termice care este emisă de un corp în toate direcțiile dintr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Luminozitatea energiei depinde de natura corpului, de temperatura corpului, de starea suprafeței corpului și de lungimea de undă a radiației.
- densitatea luminozității spectrale - luminozitatea energetică a unui corp pentru lungimi de undă date (λ + dλ) la o temperatură dată (T + dT): R λ,T = f(λ, T).
Luminozitatea energetică a unui corp în anumite lungimi de undă este calculată prin integrarea R λ,T = f(λ, T) pentru T = const:
- coeficient de absorbție
- raportul dintre energia absorbită de organism și energia incidentă. Deci, dacă radiația dintr-un flux dФ inc cade pe un corp, atunci o parte a acesteia este reflectată de suprafața corpului - dФ neg, cealaltă parte trece în corp și se transformă parțial în căldură dФ abs, iar a treia parte după mai multe reflexii interne- trece prin corp spre exterior dФ pr: α = dФ abs/dФ cade.
Coeficientul de absorbție α depinde de natura corpului absorbant, lungimea de undă a radiației absorbite, temperatura și starea suprafeței corpului.
- coeficientul de absorbție monocromatic- coeficientul de absorbție al radiației termice de o lungime de undă dată la o temperatură dată: α λ,T = f(λ,T)
Printre corpuri există corpuri care pot absorbi toată radiația termică de orice lungime de undă care cade asupra lor. Astfel de corpuri care absorb ideal sunt numite corpuri absolut negre. Pentru ei α =1.
Există și corpuri gri pentru care α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.
Modelul cu corp negru este o deschidere mică, cu o carcasă rezistentă la căldură. Diametrul găurii nu este mai mare de 0,1 din diametrul cavității. La o temperatură constantă, din gaură este emisă o parte de energie, corespunzătoare luminozității energetice a unui corp complet negru. Dar gaura neagră este o idealizare. Dar legile radiațiilor termice ale corpului negru ajută la apropierea de modele reale.
2. Legile radiației termice
1. Legea lui Kirchhoff. Radiația termică este echilibru - cantitatea de energie emisă de un corp este cât de mult este absorbită de acesta. Pentru trei corpuri situate într-o cavitate închisă putem scrie:
Relația indicată va fi adevărată și atunci când unul dintre corpuri este AC:
Deoarece pentru corpul negru α λT .
Aceasta este legea lui Kirchhoff: raportul dintre densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp și coeficientul său de absorbție monocromatic (la o anumită temperatură și pentru o anumită lungime de undă) nu depinde de natura corpului și este egal pentru toate corpurile cu densitatea spectrală a luminozității energetice la aceeași temperatură și lungime de undă.
Corolare din legea lui Kirchhoff:
1. Luminozitatea energetică spectrală a corpului negru este o funcție universală a lungimii de undă și a temperaturii corpului.
2. Luminozitatea energetică spectrală a corpului negru este cea mai mare.
3. Luminozitatea energiei spectrale a unui corp arbitrar este egală cu produsul dintre coeficientul său de absorbție și luminozitatea energiei spectrale a unui corp absolut negru.
4. Orice corp la o anumită temperatură emite unde de aceeași lungime de undă pe care o emite la o anumită temperatură.
Un studiu sistematic al spectrelor unui număr de elemente a permis lui Kirchhoff și Bunsen să stabilească o legătură clară între spectrele de absorbție și emisie ale gazelor și individualitatea atomilor corespunzători. Deci s-a sugerat analiza spectrală, cu ajutorul căruia se pot identifica substanțe a căror concentrație este de 0,1 nm.
Distribuția densității spectrale a luminozității energetice pentru un corp absolut negru, un corp gri, un corp arbitrar. Ultima curbă are mai multe maxime și minime, ceea ce indică selectivitatea emisiei și absorbției unor astfel de corpuri.
2. Legea Stefan-Boltzmann.
În 1879, oamenii de știință austrieci Joseph Stefan (experimental pentru un corp arbitrar) și Ludwig Boltzmann (teoretic pentru un corp negru) au stabilit că luminozitatea energetică totală pe întregul interval de lungimi de undă este proporțională cu puterea a patra a temperaturii absolute a corpului:
3. Legea vinului.
Fizicianul german Wilhelm Wien a formulat în 1893 o lege care determină poziția densității spectrale maxime a luminozității energetice a unui corp în spectrul de radiații al corpului negru în funcție de temperatură. Conform legii, lungimea de undă λ max, care reprezintă densitatea spectrală maximă a luminozității energetice a corpului negru, este invers proporțională cu temperatura lui absolută T: λ max = В/t, unde В = 2,9*10 -3 m·K este constanta lui Wien.
Astfel, odată cu creșterea temperaturii, se modifică nu numai energia radiației totale, ci și forma însăși a curbei de distribuție a densității spectrale a luminozității energetice. Odată cu creșterea temperaturii, densitatea spectrală maximă se deplasează către lungimi de undă mai scurte. Prin urmare, legea lui Wien se numește legea deplasării.
Se aplică legea vinului în pirometria optică- o metodă de determinare a temperaturii din spectrul de radiații al corpurilor puternic încălzite care sunt îndepărtate de observator. Această metodă a determinat prima dată temperatura Soarelui (pentru 470 nm T = 6160 K).
Legile prezentate nu ne-au permis să găsim teoretic ecuații pentru distribuția densității spectrale a luminozității energetice pe lungimi de undă. Lucrările lui Rayleigh și Jeans, în care oamenii de știință au studiat compoziția spectrală a radiației corpului negru pe baza legile fizicii clasice, au condus la dificultăți fundamentale numite catastrofa ultravioletă. În domeniul undelor UV, luminozitatea energetică a corpului negru ar fi trebuit să ajungă la infinit, deși în experimente a scăzut la zero. Aceste rezultate au contrazis legea conservării energiei.
4. Teoria lui Planck. Un om de știință german în 1900 a avansat ipoteza că corpurile nu emit continuu, ci în porțiuni separate - cuante. Energia cuantică este proporțională cu frecvența radiației: E = hν = h·c/λ, unde h = 6,63*10 -34 J·s constanta lui Planck.
Ghidat de idei despre radiația cuantică a corpului negru, el a obținut o ecuație pentru densitatea spectrală a luminozității energetice a corpului negru:
Această formulă este în conformitate cu datele experimentale pe întregul interval de lungimi de undă la toate temperaturile.
Soarele este principala sursă de radiație termică în natură. Radiația solară ocupă o gamă largă de lungimi de undă: de la 0,1 nm la 10 m sau mai mult. 99% din energia solară apare în intervalul de la 280 la 6000 nm. Pe unitatea de suprafață a suprafeței Pământului, în munți există de la 800 la 1000 W/m2. O parte de două miliarde de căldură ajunge la suprafața pământului - 9,23 J/cm2. Pentru intervalul de radiații termice de la 6000 la 500000 nm reprezintă 0,4% din energia solară. În atmosfera Pământului, cea mai mare parte a radiațiilor infraroșii este absorbită de molecule de apă, oxigen, azot și dioxid de carbon. Raza radio este, de asemenea, în mare parte absorbită de atmosferă.
Cantitatea de energie pe care razele solare o aduc pe 1 s pe o suprafață de 1 mp, situată în afara atmosferei terestre la o altitudine de 82 km perpendiculară pe razele soarelui se numește constantă solară. Este egal cu 1,4 * 10 3 W/m2.
Distribuția spectrală a densității fluxului normal al radiației solare coincide cu cea pentru corpul negru la o temperatură de 6000 de grade. Prin urmare, Soarele în raport cu radiația termică este un corp negru.
3. Radiația din corpurile reale și corpul uman
Radiația termică de la suprafața corpului uman joacă un rol important în transferul de căldură. Există astfel de metode de transfer de căldură: conductivitate termică (conducție), convecție, radiație, evaporare. În funcție de condițiile în care se află o persoană, fiecare dintre aceste metode poate avea un rol dominant (de exemplu, la temperaturi ambientale foarte ridicate, rolul principal aparține evaporării, iar în apă rece - conducție și o temperatură a apei de 15 grade este un mediu letal pentru persoana goală, iar după 2-4 ore survine leșinul și moartea din cauza hipotermiei creierului). Ponderea radiațiilor în transferul total de căldură poate varia de la 75 la 25%. În condiții normale, aproximativ 50% în repaus fiziologic.
Radiația termică, care joacă un rol în viața organismelor vii, este împărțită în lungimi de undă scurte (de la 0,3 la 3). µm)și lungime de undă lungă (de la 5 la 100 µm). Sursa de radiații cu unde scurte este Soarele și flacăra deschisă, iar organismele vii sunt exclusiv receptore ale unor astfel de radiații. Radiația cu undă lungă este atât emisă, cât și absorbită de organismele vii.
Valoarea coeficientului de absorbție depinde de raportul dintre temperaturile mediului și corpului, zona de interacțiune a acestora, orientarea acestor zone, iar pentru radiația cu unde scurte - de culoarea suprafeței. Astfel, doar 18% din radiația cu unde scurte se reflectă la negri, în timp ce la oamenii din rasa albă este de aproximativ 40% (cel mai probabil, culoarea pielii negrilor în evoluție nu a avut nimic de-a face cu transferul de căldură). Pentru radiațiile cu undă lungă, coeficientul de absorbție este aproape de 1.
Calcularea transferului de căldură prin radiație este o sarcină foarte dificilă. Legea Stefan-Boltzmann nu poate fi folosită pentru corpurile reale, deoarece acestea au o dependență mai complexă a luminozității energetice de temperatură. Se dovedește că depinde de temperatură, de natura corpului, de forma corpului și de starea suprafeței sale. Odată cu o modificare a temperaturii, se modifică coeficientul σ și exponentul temperaturii. Suprafața corpului uman are o configurație complexă, persoana poartă haine care modifică radiația, iar procesul este afectat de postura în care se află persoana.
Pentru un corp cenușiu, puterea de radiație în întregul domeniu este determinată de formula: P = α d.t. σ·T 4 ·S Considerând, cu anumite aproximări, corpurile reale (pielea umană, țesăturile de îmbrăcăminte) ca fiind apropiate de corpurile gri, putem găsi o formulă de calcul a puterii de radiație a corpurilor reale la o anumită temperatură: P = α· σ·T 4 ·S În diferite condiții temperaturi ale corpului radiant și ale mediului: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Există caracteristici ale densității spectrale a luminozității energetice a corpurilor reale: la 310 LA, care corespunde temperaturii medii a corpului uman, radiația termică maximă are loc la 9700 nm. Orice modificare a temperaturii corpului duce la o modificare a puterii radiației termice de la suprafața corpului (0,1 grade este suficient). Prin urmare, studiul zonelor pielii conectate prin sistemul nervos central la anumite organe ajută la identificarea bolilor, în urma cărora temperatura se schimbă destul de semnificativ ( termografia zonelor Zakharyin-Ged).
O metodă interesantă de masaj fără contact cu biocâmpul uman (Juna Davitashvili). Puterea radiației termice a palmei 0,1 W, iar sensibilitatea termică a pielii este de 0,0001 W/cm2. Dacă acționați asupra zonelor menționate mai sus, puteți stimula în mod reflex activitatea acestor organe.
4. Efectele biologice și terapeutice ale căldurii și frigului
Corpul uman emite și absoarbe în mod constant radiații termice. Acest proces depinde de temperatura corpului uman și a mediului. Radiația infraroșie maximă a corpului uman este la 9300 nm.
Cu doze mici și medii de iradiere IR, procesele metabolice sunt îmbunătățite și reacțiile enzimatice, procesele de regenerare și reparare sunt accelerate.
Ca urmare a acțiunii razelor infraroșii și radiațiilor vizibile, în țesuturi se formează substanțe biologic active (bradikinină, kalidină, histamină, acetilcolină, în principal substanțe vasomotorii, care joacă un rol în implementarea și reglarea fluxului sanguin local).
Ca urmare a acțiunii razelor infraroșii, sunt activați termoreceptorii din piele, informații din care sunt trimise către hipotalamus, în urma cărora vasele de sânge ale pielii se dilată, volumul de sânge care circulă în ele crește și transpirația. crește.
Adâncimea de penetrare a razelor infraroșii depinde de lungimea de undă, umiditatea pielii, umplerea acesteia cu sânge, gradul de pigmentare etc.
Eritemul roșu apare pe pielea umană sub influența razelor infraroșii.
Se foloseste in practica clinica pentru a influenta hemodinamica locala si generala, creste transpiratia, relaxeaza muschii, reduce durerea, accelera resorbtia hematoamelor, infiltratelor etc.
În condiții de hipertermie, efectul antitumoral al radioterapiei — termoradioterapia — este sporit.
Principalele indicații pentru utilizarea terapiei IR: procese inflamatorii acute non-purulente, arsuri și degerături, procese inflamatorii cronice, ulcere, contracturi, aderențe, leziuni ale articulațiilor, ligamentelor și mușchilor, miozite, mialgii, nevralgii. Principalele contraindicații: tumori, inflamații purulente, sângerări, insuficiență circulatorie.
Răceala este folosită pentru a opri sângerarea, pentru a calma durerea și pentru a trata anumite boli ale pielii. Întărirea duce la longevitate.
Sub influența frigului, ritmul cardiac și tensiunea arterială scad, iar reacțiile reflexe sunt inhibate.
În anumite doze, frigul stimulează vindecarea arsurilor, rănilor purulente, ulcerelor trofice, eroziunilor și conjunctivitei.
Criobiologie- studiaza procesele care au loc in celule, tesuturi, organe si organism sub influenta temperaturilor scazute, nefiziologice.
Folosit în medicină crioterapieȘi hipertermie. Crioterapia include metode bazate pe răcirea dozată a țesuturilor și organelor. Criochirurgia (parte a crioterapiei) folosește înghețarea locală a țesuturilor în scopul îndepărtării acestora (parte a amigdalei. Dacă toate - crioamigdalectomia. Tumorile pot fi îndepărtate, de exemplu, pielea, colul uterin etc.) Crioextracția bazată pe crioadeziune (adeziunea de corpuri umede la un bisturiu înghețat ) - separarea unei părți de un organ.
Cu hipertermie, este posibil să se păstreze funcțiile organelor in vivo pentru o perioadă de timp. Hipotermia cu ajutorul anesteziei este utilizată pentru a menține funcția organelor în absența alimentării cu sânge, deoarece metabolismul țesuturilor încetinește. Țesuturile devin rezistente la hipoxie. Se folosește anestezie la rece.
Efectul căldurii se realizează folosind lămpi cu incandescență (lampă Minin, Solux, baie luminoasă-termă, lampă cu raze IR) folosind medii fizice care au capacitate termică mare, conductivitate termică slabă și capacitate bună de reținere a căldurii: noroi, parafină, ozocherită, naftalina etc.
5. Bazele fizice ale termografiei
Termografia, sau imagistica termică, este o metodă de diagnostic funcțională bazată pe înregistrarea radiațiilor infraroșii din corpul uman.
Există 2 tipuri de termografie:
- termografie colesterică de contact: Metoda folosește proprietățile optice ale cristalelor lichide colesterice (amestecuri multicomponente de esteri și alți derivați ai colesterolului). Astfel de substanțe reflectă selectiv diferite lungimi de undă, ceea ce face posibilă obținerea de imagini ale câmpului termic al suprafeței corpului uman pe filme ale acestor substanțe. Un flux de lumină albă este direcționat spre film. Diferitele lungimi de undă sunt reflectate diferit de peliculă în funcție de temperatura suprafeței pe care se aplică colestericul.
Sub influența temperaturii, colesterica își poate schimba culoarea de la roșu la violet. Ca urmare, se formează o imagine color a câmpului termic al corpului uman, care este ușor de descifrat, cunoscând relația temperatură-culoare. Există colesterice care vă permit să înregistrați o diferență de temperatură de 0,1 grade. Astfel, este posibil să se determine limitele procesului inflamator, focare de infiltrație inflamatorie în diferite stadii de dezvoltare a acestuia.
În oncologie, termografia face posibilă identificarea ganglionilor metastatici cu un diametru de 1,5-2 mmîn glanda mamară, piele, glanda tiroidă; în ortopedie și traumatologie, evaluați aportul de sânge pentru fiecare segment al membrului, de exemplu, înainte de amputare, anticipați adâncimea arsurii etc.; în cardiologie și angiologie, identificați tulburările în funcționarea normală a sistemului cardiovascular, tulburările circulatorii datorate bolii vibrațiilor, inflamația și blocarea vaselor de sânge; vene varicoase etc.; în neurochirurgie, determinați localizarea leziunilor de conducere nervoasă, confirmați localizarea neuroparaliziei cauzate de apoplexie; în obstetrică și ginecologie, determinați sarcina, localizarea locului copilului; diagnosticați o gamă largă de procese inflamatorii.
- Teletermografie - se bazează pe conversia radiațiilor infraroșii de la corpul uman în semnale electrice care sunt înregistrate pe ecranul unei camere termice sau al unui alt dispozitiv de înregistrare. Metoda este fără contact.
Radiația IR este percepută de un sistem de oglinzi, după care razele IR sunt direcționate către receptorul de unde IR, a cărui parte principală este detectorul (fotorezistor, bolometru de metal sau semiconductor, termoelement, indicator fotochimic, convertor electron-optic, piezoelectric). detectoare etc.).
Semnalele electrice de la receptor sunt transmise către un amplificator, iar apoi către un dispozitiv de control, care servește la mutarea oglinzilor (scanarea unui obiect), la încălzirea unei surse de lumină punctiforme TIS (proporțională cu radiația termică) și la mutarea filmului fotografic. De fiecare dată filmul este iluminat cu TIS în funcție de temperatura corpului la locul de studiu.
După dispozitivul de control, semnalul poate fi transmis către un sistem informatic cu afișaj. Acest lucru vă permite să stocați termograme și să le procesați folosind programe analitice. Capacitățile suplimentare sunt oferite de camerele termice color (culorile similare ca temperatură sunt indicate în culori contrastante) și pot fi desenate izoterme.
Multe companii au recunoscut recent faptul că „a ajunge” la un potențial client este uneori destul de dificilă;
Vânzările active prin telefon devin una dintre cele mai eficiente modalități de a crește vânzările într-un timp scurt. Apelarea la rece are ca scop atragerea de clienți care nu au aplicat anterior pentru un produs sau serviciu, dar pentru o serie de factori sunt potențiali clienți. După ce a format numărul de telefon, managerul de vânzări activ trebuie să înțeleagă clar scopul apelului la rece. La urma urmei, convorbirile telefonice necesită abilități și răbdare deosebite din partea managerului de vânzări, precum și cunoașterea tehnicilor și tehnicilor de negociere.
