Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние — электромагнитные волны, испускаемые телами за счёт их внутренней энергии. Излучаются телами, имеющими температуру больше 0 К, то есть разными нагретыми телами, поэтому и называется тепловым. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра.

Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера, белый карлик, радиаторы охлаждения на космических аппаратах, аноды электронных ламп, обогреватели как масляные, так и инфракрасные.

Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, из-за чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием. Характерной чертой является то, что при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий , в спектре начинается экспоненциальный завал.

В случае, если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно чёрного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.

Основные понятия и свойства теплового излучения

Энергетическая светимость тела 
Энергетическая светимость тела  — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

 ;  Дж/(с·м²) = Вт/м2.

Спектральная плотность энергетической светимости 
Спектральная плотность энергетической светимости  — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн):
 
Аналогичную функцию можно написать и через длину волны:
 
Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением

Поглощающая способность тела 
Поглощающая способность тела —  — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот  вблизи :
 
где  — поток энергии, поглощающейся телом,  — поток энергии, падающий на тело в области  вблизи .

Отражающая способность тела 

Отражающая способность тела —  — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот  вблизи :
 
где  — поток энергии, отражающейся от тела,  — поток энергии, падающий на тело в области  вблизи .

Абсолютно чёрное тело 

Абсолютно чёрное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение. Для абсолютно чёрного тела

Серое тело 
Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры:

Объёмная плотность энергии излучения 
Объёмная плотность энергии излучения —  — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергии 
Спектральная плотность энергии —  — функция частоты и температуры, связанная с объёмной плотностью излучения формулой
 
Спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии соотношением
 .

Основные законы теплового излучения 
 Закон Стефана — Больцмана
 Закон излучения Кирхгофа
 Закон смещения Вина

Литература 
 Ташлыкова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Минск, 2008.

Примечания

Литература 
 

Теплоэнергетика
Электромагнитное излучение