Тема: Тепловое излучение

Лекция № 8

План лекции:

1. Характеристики теплового излучения

2. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения

3. Теплоотдача организма. Понятие о термографии

1.Излучение электромагнитных волн веществом происходит благодаря

внутриатомным и внутримолекулярным процессам. Источники энергии и, следовательно, вид свечения могут быть разными: экран телевизора, лампа дневного света, лампа накаливания, гниющее дерево, светлячок и т.д.

Из всего многообразия электромагнитных излучений, види­мых или не видимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение.

Тепловое излучение свойственно всем телам при абсолютной температуре Т>0, и его источником является внутренняя энергия излучающих тел, а точнее, энергия хаотического теплового движения их атомов и молекул. В за­висимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Рассмотрим некоторые основные характеристики теплового излучения. Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).

Поток излучения, испускаемый 1 м² поверхности, называют энергетической светимостью R_е. Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м²).

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной дли­ны волны. Выделим небольшой интервал длин волн от λ до λ + Δλ. Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, про­порциональна ширине интервала:

(1)

где - спектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м³.

Зависимость спектральной плотности энергетической свети­мости от длины волны называют спектром излучения тела.

Проинтегрировав (1), получим выражение для энергетиче­ской светимости тела:

(2)

Способность тела поглощать энергию излучения характеризу­ют коэффициентом поглощения, равным отношению потока из­лучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упав­шего на него:

α = Фпогл /Фпад (3)

Так как коэффициент поглощения зави­сит от длины волны, то (3) записывают для потоков монохроматического излучения, и тогда это отношение определяет монохроматический коэффициент поглощения:

αλ = Фпогл (λ) /Фпад (λ)

Из (3) следует, что коэффициенты поглощения могут при­нимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излуче­ние тела черного цвета: черная бумага, ткани, бархат, сажа, пла­тиновая чернь и т. п.; плохо поглощают тела с белой поверхно­стью и зеркала.

Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн (частот), называют черным. Оно погло­щает все падающее на него излучение при любой темпера­туре.

Черных тел в природе нет, это понятие — физическая абстрак­ция. Моделью черного тела является маленькое отверстие в зам­кнутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это от­верстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен. В дальнейшем именно эту модель будем прини­мать за черное тело (Рис.1).

Рис.1

Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, на­зывают серым.

Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определен­ном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэф­фициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной об­ласти спектра.

Количественная связь между излучением и поглощением была установлена Г. Кирхгофом в 1859 г.: при одинаковой температу­ре отношение спектральной плотности энергетической свети­мости к монохроматическому коэффициенту поглощения одина­ково для любых тел, в том числе и для черных (закон Кирх­гофа):

, (4)

где — спектральная плотность энергетической светимости чер­ного тела (индексы у скобок означают тела 1, 2 и т. д.).

Закон Кирхгофа может быть записан и в таком виде:

(5)

Отношение спектральной плотности энергетической светимос­ти любого тела к его соответствующему монохроматическому ко­эффициенту поглощения равно спектральной плотности энергети­ческой светимости черного тела при той же температуре.

Из (5) находим еще одно выражение:

(6)

Так как для любого тела (нечерного) < 1, то, как следует из (6), спектральная плотность энергетической светимости любо­го тела меньше спектральной плотности энергетической свети­мости черного тела при той же температуре. Черное тело при про­чих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения.

Из (6) видно, что если тело не поглощает какое-либо излуче­ние (= 0), то оно его и не излучает (= 0).

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров излучения для разных температур приведены на рис 2.

Рис.2

Из этих экспериментальных кривых можно сделать ряд выводов.

Существует максимум спектральной плотности энергетиче­ской светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

На основании (2) энергетическую светимость черного тела можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью абс­цисс.

Из рис. 2 видно, что энергетическая светимость увеличива­ется по мере нагревания черного тела.

Долгое время не могли получить теоретически зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры, которая отвечала бы эксперимен­ту. В 1900 г. это было сделано М. Планком.

В классической физике испускание и поглощение излучения те­лом рассматривались как непрерывный волновой процесс. Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволя­ют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями — кван­тами.

Для энергетической светимости черного тела получим:

, (7)

где - постоянная Больцмана.

Это закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

Закон смещения Вина:

, (8)

где - длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела, b = 0.28978.10^{-2 м.К – постоянная Вина. Этот закон выполняется и для серых тел.}

Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается, а при очень высокой температуре – белым с голубым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.

Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, регистрируя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).

Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце.

Ослабление радиации атмосферой сопровождается изменением ее спектрального состава. На рис. 3 показан спектр солнечного излучения на границе земной атмосферы (кривая 1) и на поверхности Земли (кривая 2) при наивысшем стоянии Солнца. Кривая 1 близка к спектру черного тела, ее максимум соответствует длине волны 470 нм, что, по закону Вина, позволяет определить температуру поверхности Солнца – около 6100 К. Кривая 2 имеет несколько линий поглощения, ее максимум расположен около 555 нм. Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром.

Рис. 3

Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации.

Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма. Для лечебных целей используют искусственные источники теплового излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные излучатели (инфраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры порядка 400—500 °С.

2.Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область

между красной границей видимого света (λ=0.76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ=(1-2) мм], называют инфракрасным (ИК).

Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5 - 50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм).

СПЕКТР инфракрасного излучения, так же как и спектр видимого и ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника инфракрасного излучения (Рис.4).

Рис.4

Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные - в далёкой инфракрасной области.

Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Если в законе смещения Вина вместо подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 3800—1,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обычных условиях (при обычных температурах) практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимум излучения в ИК-области спектра. Отклонение реальных тел от серых не изменяет существа вывода.

Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) - белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

СВОЙСТВА инфракрасного излучения:

оптические свойства – многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например: слой воды в несколько см непрозрачен, а черная бумага прозрачна в далекой области ИК-излучения.

При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому далеко не все тела могут быть использованы в качестве источников ИК- излучения. В связи с этим наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высокого давления и лазеры , которые, в отличие от других источников, не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-области спектра.

Методы обнаружения и измерения ИК-излучения основаны на преобразовании энергии ИК-излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методыми. Их делят в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток. К фотоэлектрическим приемникам относят фотоэлементы и фотосопротивления.

Обнаружить и зарегистрировать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы .

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

Плюсы и минусы ИК-излучения:

1. - ИК-лучи для лечения болезней начали использовать с античных времен, когда врачи применяли горящие угли, очаги, нагретое железо, песок, соль, глину и т.п. для излечения обмораживания, язв, ушибов, кровоподтеков и т.д. Гиппократ описывал способ их применения для обработки ран, язв, повреждений от холода и т.д.

- Доказано, что ИК-лучи оказывают одновременно болеутоляющее ( за счет вызванной ИК-лучами гиперемии), антиспазматическое, противовоспалительное, стимулирующее, отвлекающее действия; улучшают циркуляцию крови; хирургическое вмешательство, проведенное при ИК-излучении, переносится легче и быстрее происходит регенерация клеток.

- ИК-излучение используется для предупреждения развития фиброза и пневмосклероза в легочной ткани (для усиления регенерации в пораженном органе).

- Проводят магнитолазеротерапию в инфракрасном спектре излучения для лечения патологии печени (например, с целью коррекции токсического действия химиопрепаратов при лечении туберкулеза).

2 - В яркие солнечные дни, на воде, в высокогорье, на снегу ИК- излучения может быть избыток. И хотя последствия от УФ звучат более угрожающе, излишки ИК для глаз так же нежелательны. Энергия этих лучей поглощается роговицей и хрусталиком и превращается в тепло. Избыток этого совсем незаметного тепла может привести к необратимым нарушениям. В отличие от УФ ИК-излучение прекрасно проходит через стеклянные линзы. В специальных очках для летчиков, альпинистов, горнолыжников обязательно учитывается фактор повышенного ИК-излучения. Излучения с длиной волны 1-1.9 мкм особенно нагревают хрусталик и водянистую влагу. Это вызывает различные нарушения, главным из которых является фотофобия (светобоязнь) – сверхчувствительное состояние глаза, когда нормальное световое воздействие порождает болезненные ощущения. Фотофобия часто не зависит от обширности повреждения: при небольшом повреждении глаза больной может чувствовать себя тяжело пораженным.

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

В области длин волн ниже 200 нм УФ-излучение сильно погло­щается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, по­этому особого интереса для медицины не представляет. Осталь­ную часть УФ-спектра условно делят на три области (см. § 24.9): А (400—315 нм- ), В (315—280 нм-эритемная) и С (280—200 нм- бактерицидная).

Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствие с законом смещения Вина даже для наиболее длинной волны УФ-диапазона (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение тел не может служить эф­фективным источником мощного УФ-излучения. Наиболее мощ­ным источником теплового УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы приходится на УФ-диапазон.

В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излуче­ния используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейчатый спектр.

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фото­электрическими приемниками. Индикаторами являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых мик­роскопов , люминесцентных микроскопов, для люми­несцентного анализа . Главное применение УФ-излуче­ния в медицине связано с его специфическим биологическим воз­действием, которое обусловлено фотохимическими процессами .

Ультрафиолетовые лучи имеют наибольшую энергию, поэтому при их поглощении происходят значительные изменения в электронной структуре атомов и молекул. Поглощенная энергия ультрафиолетовых лучей может мигрировать и использоваться для разрыва слабых связей в молекулах белка.

- Коротковолновые ультрафиолетовые лучи вызывают денатурацию белковых полимеров, которые выпадают в осадок, теряя свою биологическую активность.

- Особое влияние ультрафиолетовых лучей отмечено на молекулы ДНК: нарушается удвоение ДНК и деление клеток, идет окислительное разрушение белковых структур, которое приводит к гибели клетки. Облученная клетка сначала теряет способность к делению, а затем, два-три раза разделившись, погибает.

- Немаловажно и витаминообразующее действие ультрафиолетовых лучей. Провитамины, находящиеся в коже, под влиянием средневолнового ультрафиолетового излучения превращаются в витамин D.

- Ультрафиолетовые лучи проникают всего на 0,1 мм, но несут большую энергию по сравнению с другими электромагнитными колебаниями видимого и инфракрасного спектра.

- Продукты распада белков вызывают расширение сосудов, отек кожи, миграцию лейкоцитов с раздражением рецепторов кожи, внутренних органов с развитием нейрорефлекторных реакций. Продукты разрушения белков разносятся по току крови, оказывая гуморальное воздействие.

- В косметологии ультрафиолетовое облучение широко применяется в соляриях для получения ровного красивого загара. В соляриях, в отличие от естественных условий, применяются фильтры, которые поглощают коротковолновые и средневолновые лучи. Облучение в соляриях начинается с минимального времени - одной минуты, а затем постепенно продолжительность инсоляции увеличивается. Передозировка ультрафиолетовыми лучами приводит к преждевременному старению, снижению эластичности кожи, развитию кожных и онкологических заболеваний.

Все современные защитные кремы по уходу за кожей содержат комплексы, осуществляющие ультрафиолетовую протекцию.

- Дефицит ультрафиолетовых лучей ведет к авитаминозу, снижению иммунитета, слабой работе нервной системы, появлению психической неустойчивости.

- Ультрафиолетовое излучение оказывает существенное воздействие на фосфорно-кальциевый обмен, стимулирует образование витамина D и улучшает все метаболические процессы.

- Ультрафиолетовые лучи полезны, более того, необходимы для человека хотя бы потому, что витамин D образуется в организме при облучении в диапазоне 280-320 нм. Впрочем, это общеизвестно. Реже можно встретить упоминания о том, что ультрафиолет в разумных дозах помогает организму подавлять простудные, инфекционные и аллергические заболевания, усиливает обменные процессы и улучшает кроветворение. А также повышает устойчивость ко многим вредным веществам, включая свинец, ртуть, кадмий, бензол, четыреххлористый углерод и сероуглерод.

- Однако ультрафиолет полезен не всем. Он противопоказан при активных формах туберкулеза, при выраженном атеросклерозе, гипертонической болезни II и Ш степени, болезнях почек и некоторых других заболеваниях. Есть сомнения - советуйтесь с врачом. Чтобы получить профилактическую дозу ультрафиолета, надо достаточное время находиться на свежем воздухе, не заботясь особенно о том, попадает на кожу солнечный свет или не попадает.

Однако и для того, чтобы хорошо загореть, совсем не обязательно лезть в пекло, под прямые лучи. Напротив. Загорать в тени - в этом, согласитесь, что-то есть... Вполне достаточно, если значительная часть небесной сферы не загорожена от вас, скажем, домами или густым лесом. Идеальные условия - тень от одиноко стоящего дерева в ясный день. Или тень от большого зонта (либо маленького тента) на солнечном пляже. Загорайте на здоровье!

3.Тело человека имеет определенную температуру благодаря

терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой. Рассмотрим некоторые особен­ности такого теплообмена, предполагая, что температура окру­жающей среды ниже температуры тела человека.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, кон­векции, испарения и излучения (поглощения).

Трудно или даже невозможно точно указать распределение от­даваемого количества теплоты между перечисленными процесса­ми, так как оно зависит от многих факторов: состояния организ­ма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т. д.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движе­ние воздуха и т. п.), одежды (материал, форма, цвет, толщина).

Однако можно сделать приближенную и усредненную оценки для лиц, не имеющих особой физической нагрузки и проживаю­щих в условиях умеренного климата.

Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотда­чи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для умень­шения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15—20% теплоотдачи человека осуществляется конвекцией.

Испарение происходит с поверхности кожи и легких, при этом имеет место около 30% теплопотерь.

Наибольшая доля теплопотерь (около 50%) приходится на из­лучение во внешнюю среду от открытых частей тела и одежды. Основная часть этого излучения относится к инфракрасному диа­пазону с длиной волны от 4 до 50 мкм.

Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела

человека в соответствии с законом Вина попадает на длину волны приблизительно 9.5 мкм при температуре поверхности кожи 32 гр.С.

Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами.

У здоровых людей распределение температуры по различных точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.

Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела чело­века и определение их температуры являются диагностических методом. Такой метод, называемый термографией, находит все более широкое применение в клинической практике.

Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования нас населения.

Определение различия температуры поверхности тела при тер­мографии в основном осуществляется двумя методами. В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, опти­ческие свойства которых очень чувствительны к небольшим изме­нениям температуры. Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное раз­личие температуры. Другой метод, более распространенный, — технический, он основан на использовании тепловизоров. Тепло­визор — это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, преобразовывать это излучение в оптический диапазон и воспро­изводить изображение тела на экране. Части тела, имеющие раз­ные температуры, изображают на экране разным цветом.