Презентация на тему "Все о тепловом излучении"

Содержание

• 
  Слайд 1

  ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

  лекция 5

• 
  Слайд 2

  §§ Равновесное излучение

  02 Рассмотрим полость, температура стенок которой поддерживается постоянной. В начальный период времени полость будет заполнена излучением с характерным для материала полости спектром

• 
  Слайд 3
  

  03 За счет частичного поглощения, за счет хаотического теплового движения, атомы полости переходят в возбужденное состояние и излучают. При этом происходит изменение интенсивности, спектрального состава, состояния поляризации света. Система постепенно переходит в состояние равновесия, которому соответствует наибольшаявероятность. Это излучение называется равновесным.

• 
  Слайд 4
  

  04 Оно однородно, изотропно и деполяризовано. Спектральный состав и другие характе- ристики не зависят от свойств материала стенок полости (и тел внутри нее), а определяются только температурой стенок Излучение также можно характеризовать этой температурой и считать ее свойством самого излучения, которое также называется тепловым. Только тепловое излучение может быть равновесным.

• 
  Слайд 5
  

  05 При нарушении равновесия между телом и излучением, тело либо поглощает больше, чем излучает (т.е. нагревается), либо излучает, за счет убыли внутренней энергии (охлаждается). Интенсивность теплового излучения возрастает при повышении температуры.

• 
  Слайд 6

  §§ Характеристики излучения

  06 Потоком (мощностью) излучения называется количество энергии, переносимой ЭМ волнами, за единицу времени со всей площади тела Это, например, та мощность, которую указывают на лампеили нагревателе

• 
  Слайд 7
  

  – распределение энергии по частотам (по длинам волн) 07 Энергетической светимостью называется величина, равная мощности теплового излучения с единицы площади тела. [R] = 1 Вт/м2 Эти величины – интегральные, т.е. учитывают энергию, переносимую волнами всех частот (длин волн) Рассмотрим спектры

• 
  Слайд 8
  

  08 линейчатый спектр уединенные атомы, разряженные газы полосатый спектр конденсированное вещество сплошной спектр равновесное (тепловое) излучение

• 
  Слайд 9
  

  09 Испускательная способность – величина, равная спектральнойплотности энергетической светимости Это энергия, излучаемая телом в единицу времени с единицы площади в единичном интервале длин волн (частот)

• 
  Слайд 10

  §§ Поглощательная способность

  10 Рассмотрим элементарную площадку и интервал частот излучения [ω,ω+ dω] Пусть – падающий поток – поглощаемая мощность называется поглощательной способностью тогда безразмерная величина

• 
  Слайд 11
  

  11 Для абсолютно черного тела (АЧТ) Эта величина зависит от природы тела, частоты падающего излучения. температуры, состояния поверхности, Тело называют серым, если

• 
  Слайд 12

  §§ Закон Кирхгофа

  12 Рассмотрим два тела в замкнутойполости В этой системе устанавливается динамическое равновесие – оба тела будут иметь одинаковую температуру.

• 
  Слайд 13
  

  – универсальная функция Кирхгофа 13 Если тело обладает большей излучательной способностью, то оно теряет на излучение больше энергии и, для поддержания температуры, такое тело должно больше поглощать. Кирхгоф, 1859 или испускательная способность абсолютно черного тела.

• 
  Слайд 14

  §§ Закон Стефана-Больцмана

  14 Стефан, 1879, опытные данные – для любого тела Больцман, 1884, теоретический расчет – только для АЧТ – постоянная Стефана–Больцмана

• 
  Слайд 15

  §§ Закон смещения Вина

  15 длина волны λm, соответствующая максимуму, определяется соотношением b = 2,898·10–3 м·К

• 
  Слайд 16

  §§ Формула Рэлея–Джинса

  16 Рассмотрим, следуя Рэлею (1900) и Джинсу (1905), вывод выражения для спектральной плотности излучения в полости. Пусть Полная энергия теплового (равновесного) излучения: объемная плотность энергии ЭМВ

• 
  Слайд 17
  

  – энергия, приходящаяся на интервал частот [ω,ω+ dω] 17 Энергия ЭМВ распределена по частотам неравномерно Предположим, что равновесное излучение в полости представляет собой систему стоячих волн. а форма полости – параллелепипед со сторонами a,bи c. Пусть поверхность стенок – зеркальная,

• 
  Слайд 18
  

  18 mx = 1, 2, 3 ... – волновое число для осей yи z аналогично

• 
  Слайд 19
  

  19 – волновой вектор для встречных волн: Модуль волнового вектора: Каждой тройке соответствует своя стоячая волна.

• 
  Слайд 20
  

  20 Вычислим приблизительное число таких волн N в зависимости от k. – объем, занимаемый всеми состояниями в k-пространстве – объем одного состояния

• 
  Слайд 21
  

  21 Число состояний следовательно, число волн в интервале [ω, ω+dω]равно Учтем независимость двух состояний поляризации (умножим на 2):

• 
  Слайд 22
  

  17 энергия, приходящаяся на интервал частот [ω, ω+dω] –средняя энергия одного колебания Из закона Больцмана следует, что на каждую степень свободы приходится одинаковая энергия ½kBT, а на колебательную степень свободы – энергия kBT.

• 
  Слайд 23
  

  23 формула Рэлея–Джинса В области низких частот (СВЧ, радиоволны и дальняя ИК) она прекрасно согласуется с экспериментом

• 
  Слайд 24
  

  24 Однако, , а не к и полученное выражение не описывает 1) равновесие между телом и излучением 2) уменьшение спектральной плотности для высоких частот

• 
  Слайд 25

  §§ Формула Планка

  Спектральная плотность энергетической светимости (в данном случае – на одно колебание) где – средняя энергия на одну степень свободы системы 25 (закон Больцмана дает и мы приходим к формуле Рэлея–Джинса)

• 
  Слайд 26
  

  26 Макс Планк (1900) Будем рассматривать вещество стенок полости как набор осцилляторов, которые могут занимать лишь дискретный ряд уровней. – E0 – основное состояние – E1 – возбужденное состояние – Em – m-й уровень

• 
  Слайд 27
  

  27 Пусть P(E) – вероятность того, что система займет положение с энергией E – убывающая функция Обычно Где постоянную определяют из условия

• 
  Слайд 28
  

  28 получаем или Средняя энергия:

• 
  Слайд 29
  

  29 Пусть уровни – «равноотстоящие», т.е. тогда Вычислим сумму

• 
  Слайд 30
  

  30 Следовательно

• 
  Слайд 31
  

  31 классический предельный случай Планк предположил, что E0 ≠ 0 и определяется только свойствами излучения Пусть энергия поглощается/излучается квантами (порциями) с энергией Дж/с – постоянная Планка Дж/с (Поль Дирак)

• 
  Слайд 32
  

  32 тогда формула Планка

• 
  Слайд 33
  

  33 Формула Планка дает исчерпывающее описание свойств теплового излучения. Она содержит: 1) закон Стефана–Больцмана 2) закон смещения Вина 3) описание спектра теплового излучения во всем диапазоне λ

• 
  Слайд 34

  §§ Источники света

  34 1) Солнце вне атмосферы на земной поверхности Спектр излучения Солнца близок к спектру АЧТ с T≈ 6000 K (λm≈ 0.47μ)

• 
  Слайд 35
  

  35 2) Тепловые источники света Максимум спектральной плотности приходится на край видимой области при T = 3850 К (λmax = 750 нм)

• 
  Слайд 36
  

  36 Дейви (Davy, 1778-1829) в начале 19 в. изобрел дуговую лампу Лодыгин, 1872 T~ 2200 К η~ 0.5 % t ~ 500–1000 ч. Гейсер в 1856 г. изобрел флуоресцентную лампу

• 
  Слайд 37
  

  37 1973 г., люминисцентные лампы Пары ртути в инертном газе (аргон, неон) испускают ультрафиолет, который вызывает свечение люминофора Такие лампы потребляют в 5 раз меньше энергии. Срок службы достигает 15000 ч.

• 
  Слайд 38
  

  38 Двойная спираль вольфрамовой нити (T ~ 3000 К) внутри N2 (азот) при Tк: P~0.5 атм. Лампа накаливания

• 
  Слайд 39
  

  39 Излучение вольфрама не соответствует излучению АЧТ, что приводит к большей светоотдаче. срок службы: 500-1500 ч. КПД не превышает 5% (у лучших источников не более 20%) Галогеновые лампы имеют кварцевую колбу, а внутри – инертный газ с добавками галогенов , чтобы испаряющийся вольфрам вновь осаждался на спирали

• 
  Слайд 40
  

  – газоразрядные источники света 40 «Ксеноновые» лампы англ.: HID (High Intensity Discharge) источником света является электрическая дуга в газоразрядной камере с инертными газами мощность: 75 Вт - 50 кВт Для их розжига нужен мощный разряд — порядка 25 киловольт.

• 
  Слайд 41

  §§ Применение законов ТИ

  1) ИК-сушка, нагрев 36 2) освещение (при T ~ 6700 Kηmax~14% с учетом спектральной чувствительности глаз)

• 
  Слайд 42
  

  37 3) оптическая пирометрия а) закон Стефана–Больцмана (радиационная пирометрия) б) закон смещения Вина (пирометр с исчезающей нитью) в) цветовые пирометры