Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Toplinsko zračenje su elektromagnetski valovi koje emitiraju električki nabijene čestice kao rezultat njihovog toplinskog gibanja u materiji.
Metalne šipke zagrijane u talionici jako svijetle. Ovo je toplinsko zračenje. Zrače li samo tijela s vrlo visokim temperaturama toplinsko zračenje? Ispostavilo se da je svako tijelo s temperaturom iznad apsolutne nule izvor ovog zračenja. Zašto ne vidimo to zračenje koje izvire iz predmeta oko nas? Odgovor ćete pronaći u ovom članku.
Uzroci toplinskog zračenja i njegova svojstva
Sva su tijela sastavljena od atoma ili molekula koji su u neprestanom nasumičnom kretanju. Čak i molekule čvrstih tijela, "zaključane" u kristalnoj rešetki, izvode kaotične vibracije. Ovo nasumično kretanje atoma i molekula naziva se toplinsko gibanje. Zbog sudara i međumolekulskih interakcija energija pojedinih molekula se neprestano mijenja. Doživljavaju ubrzanja i vibracije. Atomi se sastoje od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenih elektrona. Kada se nabijena čestica kreće ubrzano, ona emitira elektromagnetski val.
Sva tijela s temperaturom iznad apsolutne nule (-273,15 ℃, 0K) emitiraju toplinsko zračenje. Tijelo može apsorbirati elektromagnetske valove. Što više energije tijelo apsorbira pri konstantnoj temperaturi, to više energije zrači. Omjer apsorbiranog i emitiranog zračenja ne ovisi o prirodi tijela – za sva tijela to je ista funkcija temperature i valne duljine.
Zašto vidimo samo toplinsko zračenje vrlo vrućih tijela poput metalne šipke u talionici?
Svjetlost je elektromagnetski val. Svaka boja svjetlosti ima svoju valnu duljinu. Najdužu valnu duljinu ima crveno svjetlo, a najkraću plavo i ljubičasto. Bijela svjetlost mješavina je svih boja koje se pojavljuju u dugi koja nastaje kada se bijela svjetlost rascijepi na kapljice vode u atmosferi (Sl. 1.).
Riža. 1. Duga. Svaka boja svjetlosti ima svoju valnu duljinu, od najveće za crvenu svjetlost do najniže za ljubičastu.
Kada zagrijete metalnu šipku, na primjer preko plinskog plamenika, na oko 500°C, primijetit ćete da svijetli crveno. Kako se temperatura šipke povećava, boja svjetla se mijenja u narančastu, žutu i zatim bijelu. Porast temperature uzrokuje emisiju elektromagnetskih valova sve kraćih valnih duljina.Istodobno s porastom temperature štapić sve intenzivnije sjaji - kažemo da se povećava iradijansa, tj. energija zračenja oslobođena 1 sekundu po 1 m2 površine tijela.
Sva vruća tijela sjaje. Ispostavilo se da niskotemperaturna tijela koja ne svijetle vidljivom svjetlošću također emitiraju zračenje, ali u području valnih duljina više od vidljivog svjetla. Ovo zračenje se naziva infracrveno zračenje. Nevidljiv je našim očima, ali nosi toplinsku energiju. Infracrveno zračenje koristi se npr. za zagrijavanje tijela posebnom infracrvenom lampom (slika 2.). Vidimo da lampa svijetli prilično slabom crvenom svjetlošću, ali je njeno zračenje u infracrvenom području koje je za nas nevidljivo puno jače. Njegove učinke možemo osjetiti samo u obliku topline tijela.
Riža. 2. Infracrvena lampa za tretman emitira toplinsko zračenje uglavnom u većem rasponu valnih duljina od vidljivog svjetla.
Ovaj primjer pokazuje da toplinsko zračenje nije ograničeno na uski raspon valnih duljina. Tijela emitiraju zračenje bilo koje valne duljine u vrlo širokom rasponu od ultraljubičastog do infracrvenog, ali maksimum tog zračenja javlja se u određenom rasponu valnih duljina, ovisno o temperaturi.
Dakle, u infracrvenoj lampi, maksimum zračenja pada na područje valnih duljina koje odgovara infracrvenom zračenju, dok je u ostalim rasponima zračenje mnogo slabije. Kada se metalna šipka zagrije do crvene boje, osim crvene svjetlosti koju vidimo, emitira se i infracrveno zračenje koje se osjeća kao osjećaj topline. Daljnji porast temperature dovodi do povećanja udjela kratkih valnih duljina, zbog čega se boja štapića mijenja u žutu, a zatim u bijelu. Štap i dalje emitira crvenu svjetlost i infracrveno zračenje, ali je njihov udio u ukupnom zračenju manji.
Sunčeva svjetlost emitirana s površine Sunca na temperaturi od oko 6000 K sadrži vidljivu svjetlost u cijelom rasponu valnih duljina, kao i nama nevidljivo ultraljubičasto zračenje (UV) s valnim duljinama kraćim od vidljive svjetlosti. Zahvaljujući tom zračenju se sunčamo.
Koji je razlog zašto se dominantna valna duljina toplinskog zračenja smanjuje s porastom temperature? Povećanje temperature znači povećanje prosječne kinetičke energije molekula i, posljedično, povećanje prosječne energije zračenja koje emitiraju čestice. Što je veća energija zračenja, to je valna duljina kraća.
Spektar toplinske emisije
Slike svemirskog teleskopa Hubble pokazuju nam neobične, dinamične događaje u svemiru. Jedna od njih prikazuje sudar dviju galaksija, koje su ogromne zbirke od mnogo milijardi zvijezda, plina i međuzvjezdane prašine. Sudar je izazvao eksplozivno stvaranje novih zvijezda. Ali kako možemo znati koje su zvijezde mlade, novoformirane, a koje stare? Ove informacije dobivamo analizom spektra toplinske emisije zvijezda.
Riža. 3. Sudar dviju galaksija snimljen teleskopom Hubble. Izvor fotografije - ESA
Iz iskustva znamo da tijela na vrlo visokim temperaturama, poput tekućeg metala ili Sunčeve fotosfere, svijetle bijelom svjetlošću. Ako se ta svjetlost propusti kroz prizmu, ona se raspada u različite boje (slika 4). Svaka boja odgovara različitoj elektromagnetskoj valnoj duljini, od 400 nm za ljubičastu do 700 nm za crvenu. Dijeljenjem bijele svjetlosti na pojedinačne boje dobivamo spektar bijele svjetlosti (slika 5).
Riža. 4. Svjetlost se dijeli na pojedinačne boje u prizmi, stvarajući spektar bijele svjetlosti
Riža. 5. Spektar bijele svjetlosti
Emisioni spektar je snimljena slika zračenja raspoređenog na različitim valnim duljinama.
Razdvajanje bijele svjetlosti pokazuje od kojih se boja svjetlost sastoji, ali ne daje informaciju o tome kolika je snaga zračenja na svim uzastopnim mjestima u spektru boja. Za temeljitije proučavanje spektra emisije, potrebno je pomicati senzor, poput fotoćelije, duž spektra kako bi se izmjerila snaga za svaku valnu duljinu.Izmjerena količina energije zračenja u određenim rasponima valnih duljina svjetlosti omogućuje iscrtavanje krivulje spektralne distribucije (Sl. 6.).
Riža. 6. Krivulja spektralne distribucije prikazuje izmjerenu energiju zračenja u određenim spektralnim područjima
Na sl. 7 prikazuje krivulju spektralne distribucije sunčevog zračenja. Na okomitoj osi prikazana je energija zračenja u području valnih duljina (λ, λ + Δλ) emitirana u jedinici vremena, na vodoravnoj osi prikazana je valna duljina zračenja λ s rasponom valnih duljina vidljive svjetlosti. Sunčevo zračenje ide daleko izvan ovog raspona. Sadrži ultraljubičasto zračenje s valnom duljinom kraćom od vidljive svjetlosti i infracrveno zračenje s valnom duljinom dužom od vidljive svjetlosti. Sunčeva svjetlost sadrži sve valne duljine vidljive svjetlosti, tako da sunčevu svjetlost percipiramo kao bijelu.
Riža. 7. Krivulja spektralne distribucije sunčevog zračenja - ovisnost intenziteta zračenja o valnoj duljini
Maksimum grafa je na valnoj duljini od oko 500 nm, što odgovara zelenoj boji.
Položaj maksimuma zračenja određen je temperaturom tijela koje emitira. Što je viša temperatura, to je valna duljina maksimuma zračenja kraća (slika 8.). Iz tog razloga, kada zagrijano tijelo počne svijetliti, prvo svijetli crveno, a kako temperatura raste, boja se mijenja u žutu i na kraju u bijelu, kako se povećava udio svjetlosti kraćih valnih duljina.
Riža. 8. Krivulje spektralne distribucije toplinskog zračenja za različite temperature tijela koje zrači
Zračenje koje emitiraju ljudi i većina predmeta oko nas nije vidljivo, budući da se maksimalno zračenje nalazi u infracrvenom području. Naše oči ne mogu zamijetiti takvo zračenje, ali se može detektirati termovizijskom kamerom koja registrira infracrveno zračenje.
Krivulje spektralne distribucije toplinskog zračenja za više temperature su više nego za niže. To znači da s porastom tjelesne temperature raste ukupna energija zračenja. Područje ispod grafikona (vidi sliku 7) je mjera ukupne energije emitirane po jedinici površine tijela. Energija koju emitira pojedinačna površina jako ovisi o temperaturi. Zbog toga tijela s vrlo visokom temperaturom sjaje puno jače od tijela s nižom temperaturom.
Formule koje odražavaju ovisnost toplinskog zračenja o temperaturi
Dakle, maksimum krivulje spektralne distribucije zračenja pomiče se prema kraćim valnim duljinama s porastom temperature. Valna duljina λmax, koja odgovara maksimalnom zračenju, obrnuto je proporcionalna apsolutnoj tjelesnoj temperaturi: λmax=b / T, gdje je b=2,89810-3 m·K - koeficijent proporcionalnosti (Wienova konstanta). Ova se formula naziva Wienov zakon pomaka.
Analiza grafova na sl. 8 omogućuje izvlačenje još jednog zaključka. Vidimo da krivulje za više temperature leže sve više i više. To znači da s porastom tjelesne temperature ukupna energija zračenja raste. Ovi odnosi su vrlo jaki. Energija zračenja izravno je proporcionalna T4Ovisnost energije zračenja o temperaturi, nazvana Stefan-Boltzmannov zakon, ima sljedeći oblik: E=σT4, gdje je
gdje je E energija izračena po jedinici površine tijela i po jedinici vremena, T je temperatura na Kelvinovoj skali, a σ je Stefan-Boltzmannova konstanta, koja je jednaka: σ=5,67 - 10-8W / (m2K4).
Poznavanje krivulje spektralne distribucije omogućuje vam određivanje temperature udaljenog svjetlećeg objekta. Ako odredimo valnu duljinu koja odgovara maksimumu krivulje, tada, nakon transformacije Wienove formule, dobivamo temperaturu objekta: T=b / λmax .
Tako se, bez napuštanja Zemlje, određuje temperatura Sunca i ostalih zvijezda. Ispostavilo se da naše Sunce zrači na takav način da krivulja spektralne distribucije odgovara temperaturi od oko 5800 K - prosječnoj temperaturi površine Sunca.
Ako znamo udaljenost do zvijezde, možemo izračunati njezin promjer na temelju analize toplinskog zračenja. Intenzitet zračenja opada s udaljenošću, ali znajući udaljenost, možemo izračunati ukupnu energiju koju emitira zvijezda. Sada je dovoljno ukupnu energiju podijeliti s energijom emitiranom po jedinici površine, dobivenom iz Stefan-Boltzmannovog zakona, da bi se dobila površina diska zvijezde s kojeg zračenje dopire do nas.
Literatura
- Tashlykova-Bushkevich I. I. Physics. uč. džeparac. U 2 h. 2. dio. Minsk, 2008.
- Savelyev I. V. Tečaj opće fizike. - V. 3. Kvantna optika. Atomska fizika. Fizika čvrstog stanja. Fizika atomske jezgre i elementarnih čestica.
- Kuenzer, C. i S. Dech (2013.): Toplinsko infracrveno daljinsko očitavanje: Senzori, metode, primjene (=Daljinsko očitavanje i digitalna obrada slike 17). Dordrecht: Springer.
- fizika. 11. razred: udžbenik. za opće obrazovanje ustanove: osnovne i profilne. razine / G. Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, V. M. Charugin; izd. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - 19. izd. - M.: Prosvjetljenje, 2010. - 399 str.