Презентация на тему ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Содержание

Слайд 2

§§ Равновесное излучение

02

Рассмотрим полость,
температура стенок
которой поддерживается
постоянной.

В начальный период
времени

§§ Равновесное излучение 02 Рассмотрим полость, температура стенок которой поддерживается постоянной. В
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

03 За счет частичного поглощения, за счет хаотического теплового движения, атомы полости
возбужденное состояние и излучают.

При этом происходит изменение интенсивности, спектрального состава, состояния поляризации света.

Система постепенно переходит в
состояние равновесия, которому
соответствует наибольшая вероятность.

Это излучение называется равновесным.

Слайд 4

04

Оно однородно, изотропно и
деполяризовано.

Спектральный состав и другие характе-
ристики не зависят от

04 Оно однородно, изотропно и деполяризовано. Спектральный состав и другие характе- ристики
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.

05 При нарушении равновесия между телом и излучением, тело либо поглощает больше,
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

§§ Характеристики излучения 06 Потоком (мощностью) излучения называется количество энергии, переносимой ЭМ
всей
площади тела

Это, например, та мощность, которую
указывают на лампе или нагревателе

Слайд 7

– распределение
энергии по частотам (по длинам волн)

07

Энергетической светимостью

называется величина, равная
мощности

– распределение энергии по частотам (по длинам волн) 07 Энергетической светимостью называется
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

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

Слайд 9

09

Испускательная способность –

величина, равная спектральной плотности энергетической светимости

Это энергия, излучаемая телом

09 Испускательная способность – величина, равная спектральной плотности энергетической светимости Это энергия,
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

называется

§§ Поглощательная способность 10 Рассмотрим элементарную площадку и интервал частот излучения [ω,

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

11 Для абсолютно черного тела (АЧТ) Эта величина зависит от природы тела,
называют серым, если

Слайд 12

§§ Закон Кирхгофа

12

Рассмотрим два тела в замкнутой полости

В этой системе устанавливается
динамическое

§§ Закон Кирхгофа 12 Рассмотрим два тела в замкнутой полости В этой
равновесие

– оба тела
будут иметь одинаковую температуру.

Слайд 13

– универсальная функция
Кирхгофа

13

Если тело обладает большей излучательной способностью,

то оно

– универсальная функция Кирхгофа 13 Если тело обладает большей излучательной способностью, то
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

§§ Закон Стефана-Больцмана 14 Стефан, 1879, опытные данные – для любого тела
только для
АЧТ

– постоянная
Стефана–Больцмана

Слайд 15

§§ Закон смещения Вина

15

длина волны λm, соответствующая максимуму, определяется соотношением

b = 2,898·10–3

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

Слайд 16

§§ Формула Рэлея–Джинса

16

Рассмотрим, следуя Рэлею (1900) и
Джинсу (1905), вывод выражения для

§§ Формула Рэлея–Джинса 16 Рассмотрим, следуя Рэлею (1900) и Джинсу (1905), вывод
спектральной плотности излучения в полости.

Полная энергия теплового
(равновесного) излучения:

объемная плотность энергии ЭМВ

Слайд 17

– энергия, приходящаяся на
интервал частот [ω, ω + dω]

17

Энергия ЭМВ

– энергия, приходящаяся на интервал частот [ω, ω + dω] 17 Энергия
распределена по частотам неравномерно

Предположим, что равновесное излучение в полости

представляет собой
систему стоячих волн.

а форма полости – параллелепипед
со сторонами a, b и c.

Пусть поверхность стенок – зеркальная,

Слайд 18

18

mx = 1, 2, 3 ...

для осей y и z аналогично

18 mx = 1, 2, 3 ... для осей y и z аналогично

Слайд 19

19

– волновой вектор

для встречных волн:

Модуль волнового вектора:

19 – волновой вектор для встречных волн: Модуль волнового вектора:

Слайд 20

20

Вычислим приблизительное число таких
волн N в зависимости от k.

– объем, занимаемый

20 Вычислим приблизительное число таких волн N в зависимости от k. –
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

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

Слайд 22

17

энергия, приходящаяся на интервал
частот [ω, ω + dω]

Из закона Больцмана следует, что

17 энергия, приходящаяся на интервал частот [ω, ω + dω] Из закона
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

23 формула Рэлея–Джинса В области низких частот (СВЧ, радиоволны и дальняя ИК)

согласуется с
экспериментом

Слайд 24

24

Однако,

и полученное выражение не описывает

1) равновесие между
телом и излучением

2) уменьшение

24 Однако, и полученное выражение не описывает 1) равновесие между телом и
спектральной
плотности для высоких частот

Слайд 25

§§ Формула Планка

Спектральная плотность энергетической
светимости

(в данном случае – на одно колебание)

25

§§ Формула Планка Спектральная плотность энергетической светимости (в данном случае – на одно колебание) 25

Слайд 26

26

Макс Планк (1900)

Будем рассматривать вещество стенок полости как набор осцилляторов,

которые могут

26 Макс Планк (1900) Будем рассматривать вещество стенок полости как набор осцилляторов,
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

27 Пусть P(E) – вероятность того, что система займет положение с энергией
убывающая функция

Обычно

Где постоянную определяют из условия

Слайд 28

28

получаем

или

Средняя энергия:

28 получаем или Средняя энергия:

Слайд 29

29

Пусть уровни – «равноотстоящие», т.е.

тогда

Вычислим сумму

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

Слайд 30

30

Следовательно

30 Следовательно

Слайд 31

31

классический предельный случай

Планк предположил, что E0 ≠ 0 и
определяется только свойствами

31 классический предельный случай Планк предположил, что E0 ≠ 0 и определяется
излучения

Пусть энергия поглощается/излучается
квантами (порциями) с энергией

Слайд 32

32

тогда

формула Планка

32 тогда формула Планка

Слайд 33

33

Формула Планка дает исчерпывающее
описание свойств теплового излучения.

Она содержит:

1) закон Стефана–Больцмана

2) закон смещения

33 Формула Планка дает исчерпывающее описание свойств теплового излучения. Она содержит: 1)
Вина

3) описание спектра теплового
излучения во всем диапазоне λ

Слайд 34

§§ Источники света

34

1) Солнце

Спектр излучения Солнца близок к
спектру АЧТ с T ≈

§§ Источники света 34 1) Солнце Спектр излучения Солнца близок к спектру
6000 K (λm ≈ 0.47μ)

Слайд 35

35

2) Тепловые источники света

Максимум спектральной плотности
приходится на край видимой области
при T

35 2) Тепловые источники света Максимум спектральной плотности приходится на край видимой
= 3 850 К (λmax = 750 нм)

Слайд 36

36

Дейви (Davy, 1778-1829)
в начале 19 в. изобрел
дуговую лампу

Лодыгин, 1872

T ~

36 Дейви (Davy, 1778-1829) в начале 19 в. изобрел дуговую лампу Лодыгин,
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

37 1973 г., люминисцентные лампы Пары ртути в инертном газе (аргон, неон)
люминофора

Такие лампы потребляют в 5 раз меньше
энергии. Срок службы достигает 15000 ч.

Слайд 38

38

Двойная спираль
вольфрамовой
нити (T ~ 3 000 К)

внутри N2 (азот)
при Tк: P~0.5 атм.

Лампа

38 Двойная спираль вольфрамовой нити (T ~ 3 000 К) внутри N2
накаливания

Слайд 39

39

Излучение вольфрама не соответствует
излучению АЧТ, что приводит к большей
светоотдаче.

срок службы: 500-1500 ч.

КПД

39 Излучение вольфрама не соответствует излучению АЧТ, что приводит к большей светоотдаче.
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

– газоразрядные источники света 40 «Ксеноновые» лампы англ.: HID (High Intensity Discharge)
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 K

§§ Применение законов ТИ 1) ИК-сушка, нагрев 36 2) освещение (при T
ηmax ~ 14%
с учетом
спектральной
чувствительности
глаз)
Имя файла: Презентация-на-тему-ТЕПЛОВОЕ-ИЗЛУЧЕНИЕ-.pptx
Количество просмотров: 877
Количество скачиваний: 4