Физические эффекты с тепловыми результатами воздействия

Тепловое излучение

Любой объект, атом и молекула совершают колебательные движения. В свою очередь вибрирующие частицы являются источниками электромагнитного поля, которое распространяется со скоростью света. Таким образом, любой объект является источником электромагнитного излучения. Полный спектр электромагнитного излучения имеет диапазон от радиоволн до γ-излучения.

Спектральная плотность потока излучения (светимость) связана с абсолютной температурой излучающего объекта. Эта связь выражается законом Планка, который для абсолютно черного тела (АЧТ) имеет вид

, (3.55)

где λ – длина волны; Т – абсолютная температура; С ₁ = 3,74183 2^.10^-16 Вт^.м²;
С ₂ = 0,01 438 786 м^.К; М_λ,Т – плотность потока излучения (мощность электромагнитного потока на единицу длины волны).

При малых λТ можно вместо выражения (3.55) пользоваться законом Вина

. (3.56)

Полная мощность излучения (суммарная светимость) АЧТ определяется законом Стефана–Больцмана:

(3.57)

где σ = 5,67 032 ^.10^-8 Вт/(м^2. К⁴) – постоянная Стефана–Больцмана.

Так как температура является статистическим выражением средней кинетической энергии, она определяет наиболее вероятную частоту и длину волны колеблющихся частиц. При увеличении температуры максимумы кривых М _λ,Т сдвигаются в ультрафиолетовую область спектра. Сдвиг максимума излучения подчиняется закону смещения Вина, который устанавливается в виде двух зависимостей:

; (3.58)

где А = 28 978 ^.10^-7 м^.К; b ₁ = 1 2816^.10^-9 Вт/(м^3.К⁵).

Спектр излучения, его мощность и пространственные характеристики зависят от температуры тела и его излучающей способности, что позволяет использовать тепловое излучение для измерения и контроля температуры различных объектов бесконтактным методом. Так как однозначная зависимость между мощностью, спектром излучения и температурой существует только для АЧТ, то для оценки излучательной способности реальных (серых) тел вводят понятие коэффициента излучения ε_λ. Для АЧТ и серых тел ε_λ = α_λ, т. е. коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения реального тела. Для реальных объектов введены понятия эквивалентных температур [8], к которым относятся яркостная температура, радиационная (энергетическая) температура и цветовая температура.

Яркостная температура Т_Я серого излучателя – это температура АЧТ, при которой его спектральная плотность для некоторой длины волны λ равна спектральной яркости данного излучателя при той же длине волны:

(3.59)

где Т_И – истинная температура излучателя.

Радиационная (энергетическая) температура Т _Э серого излучателя – это такая температура АЧТ, при которой его яркость равны яркости данного излучателя:

(3.60)

Цветовая температура Т_Ц серого излучателя – это такая температура АЧТ, при которой «цвета» их излучений совпадают:

, (3.61)

где λ₁ и λ₂ – длины волн, на которых сравнивается цветность излучения;

и – коэффициенты излучения на длинах волн λ₁ и λ₂.

Теоретически спектр тепловых излучений является бесконечным. На практике наиболее широко используется инфракрасный (ИК) диапазон излучения. Использование чувствительных приемников ИК излучения позволяет применять пирометрические методы для измерения не только высоких, но и низких температур. На практике широко используются пирометры частичного излучения (яркостные пирометры), действие которых основано на законе Планка, пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры), в которых используется зависимость от температуры отношения спектральных плотностей энергетических яркостей на двух или нескольких длинах волн, и пирометры полного излучения (радиационные пирометры), воспринимающие полную энергию излучения.Также законы теплового излучения широко используются для получения видимого изображения и регистрации температурного поля поверхности различных объектов с помощью тепловизоров, термографов и других устройств.