Взаємодія між собою заряджених речовин призводить до появи електромагнітного поля. Своєю чергою, воно викликає ряд реакцій в просторі, одним з яких є теплове випромінювання.
Відбувається воно внаслідок внутрішньої енергії тіл, якою володіє будь-який нагрітий фізичний об’єкт. Причиною ж цього є природна особливість устрою атомів і молекул.
Загальні відомості
На початку XIX століття англійський астроном і оптик Вільям Гершель, використовуючи призму, спостерігав заломлення сонячного світла. У підсумку він зміг виявити, що тіла при підвищенні температури володіють випромінюванням.
Гершель встановив, що інфрачервоне світло підпорядковується всім відомим законам оптики. Через більш ніж сто років радянська вчена Глаголєва-Аркадьєва дослідним шляхом змогла отримати радіохвилі, що лежать в області випромінювання, збігаються з тепловим. Це дозволило зробити висновок, що інфрачервоне випромінювання є різновидом електромагнітної хвилі.
Умовно теплове випромінювання поділяють на три групи:
- короткохвильове – довжина хвилі лежить в межах від 0,74 мкм до 2,5 мкм;
- середньохвильове – діапазон випромінювання знаходиться в проміжку від 2,5 мкм до 50 мкм;
- довгохвильове – займає ділянку електромагнітних хвиль від 60 мкм до 10 мкм.
Оптик Харді припустив, що людина здатна випромінювати інфрачервоне випромінювання в області, що характерна для абсолютно чорного тіла. Причому довжина хвилі не залежить від віку та інших особливостей будови людського організму. Тому коефіцієнт випромінювання шкіри прийняли рівним одиниці. Але практичні дослідження показали, що відмінності все ж є. Воно несуттєве і залежить від навколишнього оточення. Так, при температурі приміщення 22 °C випромінювання вже не можна віднести до короткохвильового.
Інфрачервоний спектр спостерігається і у вакуумі. Його випускання можна виявити:
- у нагрітого металу;
- в земній атмосфері;
- на поверхні білого карлика.
Виявилося, що випромінювання різних тіл відрізняється не тільки довжиною хвилі, але і інтенсивністю. Але при цьому настає такий момент, коли фізичний об’єкт знаходиться в стані термодинамічної рівноваги. У цей момент незмінною залишається не тільки температура, але і:
- тиск;
- об’єм;
- ентропія.
Такий стан часто називають рівноважним. По суті, він відповідає випромінюванню спектра абсолютно чорного тіла і описується формулою Планка.
Природа явища
Будь-яке випромінювання не може існувати саме по собі. Для його появи необхідне джерело. Випромінювання, яке випускається джерелом, забирає енергію, яка після може приймати будь-який вид.
Вивчаючи закономірності теплових променів, вчені намагалися встановити зв’язок між ними і світловими хвилями. Простий дослід показував, що якщо нагріте тіло помістити в замкнутий простір з дзеркальними стінами, то через час всі поверхні стануть однакової температури. Настане теплова рівновага.
Після того як було вивчено будову тіл, відкриті елементарні частинки і кристалічна ґратка, стало зрозуміло, що будь-яке тверде тіло є випромінювачем електромагнітної хвилі. Обумовлено воно тим, що вільні частинки у рівноважному стані мають саме енергією, отриману внаслідок теплових коливань. При цьому обумовлено воно збудженням атомів і молекул при зіткненнях.
Збудження частинок відбувається внаслідок того, що частинки, що знаходяться на більш високому енергетичному рівні, стикаючись з молекулами та віддають їм частину своєї енергії. Але оскільки будь-яка система завжди прагне зайняти енергетично найбільш вигідний стан, то збуджені носії зарядів прагнуть повернутися в попередній стан, випускаючи при цьому електромагнітну хвилю.
Встановлено, що незалежно від виникнення величина випромінювання знижується зі зменшенням температури. При досягненні абсолютного нуля рух частинок припиняється. Отже, електромагнітна хвиля тілом не генерується, але водночас воно залишається здатним поглинати енергію ззовні.
Залежно від механізму теплові коливання описуються наступним характеристиками:
- Потужність. Показує кількість енергії, яке здатне випустити тіло за одиницю часу: F = ΔW/Δt.
- Світність. Визначає величину енергії, яку тіло може випромінювати за одну секунду з поверхні рівної одному квадратному метру: R = F/S.
- Спектральна густина. Описує, за яким законом відбувається розподіл енергії по спектру: r = dR/dj.
- Коефіцієнт монохромного поглинання. Знаходиться як відношення поглиненого потоку до падаючого на тіло в одиничному інтервалі довжин хвиль: j = fпог/Fпад.
Випромінювання реальних тіл
Всі тіла, температура яких перевищує нуль по кельвіну, випромінюють електромагнітні хвилі. Відбувається це внаслідок внутрішньої енергії. Досліди показали, що в реальних тілах найбільше значення випромінюваної енергії відповідає певній довжині хвилі. Ця залежність добре описується законом Віна. У 1893 році німецький вчений зміг побудувати експериментальні криві випромінювання тіла для різних температур.
У його графіку по осі абсцис були відкладені довжини хвиль, а ординат — енергія, що випускається. Виявилося, що при температурі 3 тис. Кельвінів максимум припав на довжину хвилі близько 1,2 мкм. Якщо ж тіло нагрівати, то пік буде зміщуватися в бік коротких хвиль. Так, для 5 тис. Кельвінів він складе 0,7 мкм. Це випромінювання вже стає видимим для людського ока. При 6 тис. Кельвінів випромінювання зміститься в жовту частину спектра і складе приблизно 500 нм.
Отримані дані були систематизовані. У підсумку вчений вивів формулу:
J = b/T
де:
- B – постійна Віна (2,9 * 10-3 m * K);
- T – абсолютна температура тіла.
Вона знайшла широке практичне застосування. Наприклад, стало можливим дізнатися, скільки мікрометрів буде складати випромінювання, що відходить від людини. Воно дорівнює 9,35 мкм. Це дійсно інфрачервоне невидиме випромінювання. Знання цієї величини дає можливість використовувати спеціальні прилади, що дозволяють фіксувати відхилення теплового випромінювання.
У медицині з їх допомогою досліджують кров, пульс. Крім того, надаючи вплив правильно підібраним нетепловим випромінюванням на шкірні рецептори, покращують кровообіг, процеси метаболізму.
Знаючи механізм втрати тепла випромінюванням і пік довжини хвилі можна створити лазер або ефективний вимірювач температури — пірометр. За допомогою останнього можливо провести цікавий експеримент. Можна взяти сталеву пластину, шорстку з одного боку, а з іншого — відшліфовану.
Якщо її нагріти до 1000°С, а потім заміряти температуру пірометром, то можна побачити, що результат вимірювання у різних сторін буде відрізнятися. На шорсткій стороні кількість випромінюваної енергії вище. Пояснюється цей ефект поверхневою густиною, тобто поглинальною здатністю.
Закон Стефана-Больцмана
Над енергією випромінювання чорного тіла свого часу задумалися два фізика – Джозеф Стефан і Людвіг Больцман. Вони змогли вивести формулу, яка описувала, як зі збільшенням температури зростає випромінювана енергія.
На їх законі заснований принцип роботи тепловізора. Це пристрій з екраном, на який виводиться зображення досліджуваної поверхні тіла. При цьому в залежності від потужності випромінювання ділянки тіла мають різний колір. Так, найменша зображається синіми тонами і відповідає холодним ділянкам. Найбільша – червоним кольором (нагріті місця).
Формула, отримана фізиками, виглядає так:
R = σ * T4
де:
- T – абсолютна температура в кельвінах [K];
- σ – постійна Стефана-Больцмана рівна 5,67 * 10-8 Вт / (м2 * К);
- R – енергетична світність тіла вимірювана у ватах поділених на квадратний метр [Вт/м2].
За допомогою цієї формули, знаючи температуру тіла, наприклад, лампи розжарювання, можна розрахувати, скільки енергії буде випромінюватися в простір.
Цікавим фактом є те, що якщо предмет нагріти у два рази, то його теплове випускання зросте в 16 разів. По суті, формула дозволяє уявити, яку енергію буде випромінювати в одиницю часу тіло площею один квадратний метр. Іншими словами, можна дізнатися потужність, що віддається тілом.
Теплові промені поширюються подібно світловим променям. Вони передають енергію як випромінювання, а також проходять в безповітряному просторі. Наприклад, теплове випромінювання Землі складається з балансу енергій процесів теплопередачі, випромінювання в атмосфері і на поверхні планети.
Здатність теплосприйняття залежить від виду поверхні. Так, тіла з темною і шорсткою поверхнею нагріваються сильніше, ніж світлі і гладкі. Вони поглинають більшу частину теплового випромінювання. Як приклади можна привести нагрів темного волосся або одягу сонячним світлом. Але при цьому темні тіла випромінюють більше тепла в порівнянні зі світлими.
