Характеристика тепловых излучений.

Любое тело, имеющее температуру отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Выделение телом энергии может происходить длительно только тогда, когда энергия тела будет непрерывно пополняться за счет каких-либо источников.

Излучение энергии телом в виде фотонов происходит при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие у возбужденных атомов и молекул вещества.

Молекулы и атомы тела, являющиеся источниками излучения, имеют разную степень возбуждения и, кроме того, электроны переходят на различные разрешенные энергетические уровни. Поэтому спектр излучения реальных нагретых тел является сплошным.

Энергия фотона зависит от частоты его волны

Е_ф = h , (1.1)

где h – постоянная планка;

- частота волны фотона

Частота волны излученного фотона возрастает с увеличением разности между энергиями электрона на энергетических уровнях при переходе с более высокого на более низкий уровень

(1.2)

т.е. с увеличением разности угловых скоростей электрона на энергетических уровнях

=f(wв – wн), (1.3)

где Е_в, Е_н – энергии электрона соответственно на более высоком и более низком энергетических уровнях;

wв, wн – угловые скорости электрона соответственно на более высоком и более низком энергетических уровнях.

Разность энергии перехода между энергетическими уровнями электрона в возбужденных атомах и молекулах вещества возрастает с увеличением температуры тела (Т)

∆ Еэ = f(Т) (1.4)

Зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела от температуры его поверхности (Т) и длины волны излучения () описывается законом Планка

I , (1.5)

где С₁ и С₂ – постоянные Планка.

Анализ уравнения (1.5) показывает, что с увеличением температуры тела максимум спектральной интенсивности излучения смещается в сторону коротких волн. Кроме того, с увеличением температуры высота экстремума спектральной интенсивности излучения резко возрастает.

Смещение экстремума спектральной интенсивности излучения описывается законом Вина

, (1.6)

где С¹=2896 мкм · К – для абсолютно черного тела. Для тел с разной степенью черноты коэффициент С¹=2660 мкм · К.

Из закона смещения Вина видно, что для значения температуры серого (реального) тела до 4500 К максимум интенсивности излучения лежит в инфракрасной области спектра, т.е. > 0, 77 мкм.

Для температуры от 4500 К до 10000 К максимум этой кривой перемещается в видимую часть спектра, т.е.

= 0, 38-0, 77 мкм.

В промышленных условиях тепловые источники имеют температуру обычно не выше 4500 º К, поэтому максимум интенсивности излучения этих источников находится в инфракрасной области спектра.

Связь между интенсивностью теплового излучения и температурой поверхности тела описывается законом Стефана-Больцмана

, (1.7)

где С₀=5, 67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – температура поверхности тела, К;

– степень черноты (для серых тел =0, 01-0, 98)

Интенсивность облучения на рабочих местах от нагретой поверхности или через отверстие в печи определяют по приближенным формулам

Е=0, 91 ·F [ - 110] / х² Вт/м² (1.8)

Е=0, 91· [ - 110] / х Вт/м², (1.9)

где F – площадь излучающей поверхности, м²;

Т₁ – температура излучающей поверхности, К;

Х – расстояние от центра излучающей поверхности, м.

По формуле (1.8) определяют интенсивность облучения при Х ≥ , а по формуле (1.9) при Х < .

Интенсивность теплового излучения Е_х на расстоянии (х) от источника обратно пропорциональна этому расстоянию в степени (n)

Е_х= (1.10)

Для точечного источника излучения показатель степени (х) равен n=2, для протяженного источника показатель степени (х) уменьшается от n=2 до n=0 при увеличении размеров источника от 0 до . В частности, для линейного источника этот показатель равен единице (n=1).