Тепловое излучение

Актуальность темы.
Тело человека, как и другие тела, является источником теплового излучения. Зная законы теплового излучения, можно регистрировать энергетическую светимость в различных точках поверхности тела и использовать эту информацию в диагностических целях.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
План
Основные характеристики теплового излучения. Абсолютно черное тело.
Закон Кирхгофа.
Спектр излучения черного тела.
Законы Стефана-Больцмана и Вина.
Закон излучения Планка.
Метод термографии.

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела (т.е. за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества) .
Тепловое излучение свойственно всем телам с температурой выше 0 К.
Тепловое излучение включает в себя инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области спектра.

Лучеиспускательная способность или энергетическая светимость - это энергия, испускаемая с единицы площади поверхности тела в единицу времени.
[R]=[Дж/м2с]=[Вт/м2]
Для интервала длин волн от λ до λ + dλ энергетическая светимость
Rλ = ∫r dλ ,
где r - спектральная плотность энергетической светимости тела, Вт/м3 .

Спектр излучения тела – это зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны.

Коэффициент поглощения α - это отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшему на него:
Монохроматический коэффициент поглощения:

Абсолютно черное тело – это тело, которое поглощает всё падающее на него излучение.
Коэффициент поглощения черного тела α = 1

Густав Роберт Кирхгоф
(1824 – 1887)

Закон излучения Кирхгофа
Отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его коэффициенту поглощения (для данной длины волны и температуры) не зависит от природы тела и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре и длине волны:

Следствия из закона Кирхгофа:
1. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела является универсальной функцией длины волны и температуры тела.
2. Из всех тел наибольшую спектральную плотность энергетической светимости имеет абсолютно черное тело.

Следствия из закона Кирхгофа:
3. Спектральная плотность энергетической светимости произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:
4. Любое тело при данной температуре поглощает волны той же длины волны, которые оно излучает при данной температуре.

Спектр излучения абсолютно черного тела

Закон Стефана-Больцмана (1879г.): энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры
σ ≈5,67٠10-8 Вт/м2К4 постоянная Стефана-Больцмана
,

Закон смещения Вина (1893 г.):
длина волны λmax , соответствующая максимуму спектра, связана с абсолютной температурой соотношением
постоянная Вина
,

Пирометрия (от греч. pyr - огонь и metreo - измеряю) — совокупность оптических (бесконтактных)
методов измерения температуры.
Основана на регистрации интенсивности теплового
излучения тел.

«Ультрафиолетовая катастрофа»

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк
(1858 – 1947)

,
Гипотеза Планка предполагала, что энергия молекулярных колебаний может быть только числом, кратным hν:
- скорость света в вакууме
- постоянная Планка (элементарный квант действия)

ЗАКОН ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАНКА
- постоянная Больцмана

Термография (тепловидение) в медицине — метод регистрации инфракрасного излучения тела человека с диагностической целью.
Позволяет зафиксировать отклонение температуры тела до 0,08 градуса.
Контактная термография проводится с помощью пасты или пленки, содержащей жидкие кристаллы.
Бесконтактная термография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране.

Т1=270С=300 К: R1 ≈460 Вт/м2 λ1=9,6 мкм
Т2=370С=310 К: R2 ≈520 Вт/м2 λ1=9,3 мкм
Основная часть собственного излучения тела человека относится к инфракрасному диапазону с длиной волны λ от 3 до 50мкм.

Контактная термография

Портативные компьютерные термографы

Облитерирующий атеросклероз. (а) Ангиография. Облитерация нижней половины правой бедренной артерии. Берцовые артерии проходимы. (б) Выраженная гипотермия правой голени равномерно в обеих проекциях

Термограмма лица, шеи и передней поверхности груди в норме

Термограмма лица, шеи и передней поверхности груди при раке щитовидной железы

Термограмма кистей и дистальных отделов предплечий в норме

Термограмма кистей и дистальных отделов предплечий при болезни Рейно

Задания для самоконтроля
Определить, во сколько раз отличаются энергетические светимости участков поверхности тела человека, имеющих температуры 34 и 33°С соответственно?
Для уничтожения жучков-вредителей зерно подвергают действию инфракрасного облучения. Почему жучки погибают, а зерно нет?
Испускательная способность некоторого тела максимальна на длине волны 1,8 мкм. Какова температура тела?
В комнате стоят два одинаковых чайника, содержащие равные массы воды при 90°С. Один из них никелированный, а другой темный. Какой из чайников быстрее остынет? Почему?
Нагревая кусок стали, мы при температуре 800°С будем наблюдать яркое вишнево-красное каление, но прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится. Почему?

Научная электронная библиотека: http://elibrary.ru/defaultx.asp
Электронная библиотека НГМУ http://ngmu.ru/library/list
Литература