Energi yang hilang dari tubuh karena radiasi termal dicirikan oleh nilai-nilai berikut.

Fluks (F) - energi yang dipancarkan per satuan waktu dari seluruh permukaan tubuh.

Sebenarnya, ini adalah kekuatan radiasi termal. Dimensi fluks radiasi adalah [J / s \u003d W].

Luminositas energi (Re) - energi radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu dari permukaan satuan benda yang dipanaskan:

Dalam sistem SI, luminositas energi diukur - [W / m 2].

Fluks radiasi dan luminositas energi bergantung pada struktur zat dan suhunya: F = F(T),

Distribusi luminositas energi di atas spektrum radiasi termal mencirikan kepadatan spektral. Mari kita nyatakan energi radiasi termal yang dipancarkan oleh satu permukaan dalam 1 s dalam rentang panjang gelombang yang sempit dari λ sebelum λ +d λ, melalui dRe.

Kerapatan spektral luminositas energi (r) atau emisivitas adalah rasio luminositas energi di bagian sempit spektrum (dRe) dengan lebar bagian ini (dλ):

Pandangan perkiraan kepadatan spektral dan luminositas energi (dRe) dalam rentang panjang gelombang dari λ sebelum λ +d λ, ditunjukkan pada gambar. 13.1.

Beras. 13.1. Kerapatan spektral luminositas energi

Ketergantungan kerapatan spektral luminositas energi pada panjang gelombang disebut spektrum radiasi tubuh. Mengetahui ketergantungan ini memungkinkan untuk menghitung luminositas energi suatu benda dalam rentang panjang gelombang apa pun. Rumus untuk menghitung luminositas energi suatu benda dalam rentang panjang gelombang adalah:

Luminositas totalnya adalah:

Tubuh tidak hanya memancarkan, tetapi juga menyerap radiasi termal. Kemampuan suatu benda untuk menyerap energi radiasi bergantung pada zat, suhu, dan panjang gelombang radiasinya. Kapasitas penyerapan tubuh ditandai dengan: koefisien penyerapan monokromatikα.

Biarkan aliran jatuh di permukaan tubuh monokromatik radiasi dengan panjang gelombang . Sebagian dari aliran ini dipantulkan dan sebagian lagi diserap oleh tubuh. Mari kita tunjukkan nilai fluks yang diserap λ abs.

Koefisien serapan monokromatik adalah rasio fluks radiasi yang diserap oleh benda tertentu dengan besarnya fluks monokromatik yang datang:

Koefisien serapan monokromatik adalah besaran tak berdimensi. Nilainya terletak antara nol dan satu: 0 1.

Fungsi α = α(λ,Τ) , menyatakan ketergantungan koefisien penyerapan monokromatik pada panjang gelombang dan suhu, disebut kapasitas penyerapan tubuh. Penampilannya bisa sangat kompleks. Jenis penyerapan yang paling sederhana dipertimbangkan di bawah ini.

Badan hitam pekat adalah benda yang koefisien penyerapannya sama dengan satu untuk semua panjang gelombang: = 1.

tubuh abu-abu adalah benda yang koefisien absorpsinya tidak bergantung pada panjang gelombang: = const< 1.

Tubuh yang benar-benar putih adalah benda yang koefisien penyerapannya nol untuk semua panjang gelombang: = 0.

hukum Kirchhoff

hukum Kirchhoff- rasio emisivitas benda terhadap kapasitas penyerapannya sama untuk semua benda dan sama dengan kerapatan spektral luminositas energi benda hitam:

= /

Akibat hukum:

1. Jika suatu benda pada suhu tertentu tidak menyerap radiasi apa pun, maka benda itu tidak memancarkannya. Memang, jika untuk beberapa panjang gelombang koefisien serapan = 0, maka r = (λT) = 0

1. Pada suhu yang sama tubuh hitam memancar lebih dari yang lain. Sesungguhnya untuk semua badan kecuali hitam,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Jika untuk suatu benda kita secara eksperimental menentukan ketergantungan koefisien serapan monokromatik pada panjang gelombang dan suhu - = r = (λT), maka kita dapat menghitung spektrum emisinya.

4 Energi luminositas. hukum Stefan-Boltzmann.

Hukum perpindahan Wien

RE(luminositas energi terintegrasi) - luminositas energi menentukan jumlah energi yang dipancarkan dari satu permukaan per satuan waktu di seluruh rentang frekuensi dari 0 hingga pada suhu tertentu T.

Koneksi luminositas dan pancaran energi

[Ulang ] \u003d J / (m 2 s) \u003d W / m 2

Hukum J. Stefan (ilmuwan Austria) dan L. Boltzmann (ilmuwan Jerman)

di mana

\u003d 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Konstanta Stef-on-Boltzmann.

Luminositas energi benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu termodinamika.

Hukum Stefan-Boltzmann, mendefinisikan ketergantunganREpada suhu, tidak memberikan jawaban mengenai komposisi spektral radiasi benda hitam sepenuhnya. Dari kurva ketergantungan eksperimentalr,T dari λ di berbagai T maka distribusi energi dalam spektrum benda hitam tidak merata. Semua kurva memiliki maksimum, yang dengan meningkatnya T bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Area yang dibatasi oleh kurva ketergantunganr,T dari , sama dengan RE(ini mengikuti dari arti geometris integral) dan sebanding dengan T 4 .

Hukum perpindahan Wien (1864 - 1928): Panjang, gelombang (λ max), yang menjelaskan emisivitas maksimum dari a.ch.t. pada suhu tertentu, berbanding terbalik dengan suhu T.

b\u003d 2,9 10 -3 m K - Konstanta Wien.

Pergeseran Wien terjadi karena dengan meningkatnya suhu, emisivitas maksimum bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek.

5 formula Rayleigh-Jeans, formula Wien dan bencana ultraviolet

Hukum Stefan-Boltzmann memungkinkan Anda untuk menentukan luminositas energiREa.h.t. oleh suhunya. Hukum perpindahan Wien menghubungkan suhu tubuh dengan panjang gelombang di mana emisivitas maksimum turun. Tetapi tidak satu pun atau hukum lainnya yang memecahkan masalah utama tentang seberapa besar kemampuan radiasi per setiap dalam spektrum A.Ch.T. pada suhu T. Untuk melakukan ini, Anda perlu membuat ketergantungan fungsionalr,T dari dan T.

Berdasarkan konsep sifat kontinu dari pancaran gelombang elektromagnetik dalam hukum distribusi energi yang seragam pada derajat kebebasan, dua rumus diperoleh untuk emisivitas a.ch.t .:

• Formula Anggur

di mana sebuah, b = konstan.

• Formula Rayleigh-Jeans

k =1.38·10 -23 J/K - Konstanta Boltzmann.

Verifikasi eksperimental menunjukkan bahwa untuk suhu tertentu, rumus Wien benar untuk gelombang pendek dan memberikan perbedaan yang tajam dengan pengalaman di wilayah gelombang panjang. Rumus Rayleigh-Jeans ternyata benar untuk gelombang panjang dan tidak berlaku untuk gelombang pendek.

Studi radiasi termal menggunakan rumus Rayleigh-Jeans menunjukkan bahwa dalam kerangka fisika klasik tidak mungkin untuk memecahkan masalah fungsi yang mencirikan emisivitas AChT. Upaya yang gagal ini untuk menjelaskan hukum radiasi A.Ch.T. dengan bantuan peralatan fisika klasik, itu disebut "bencana ultraviolet".

Jika kita mencoba menghitungREmenggunakan rumus Rayleigh-Jeans, maka

• “ bencana ultraviolet”

6 Hipotesis kuantum dan rumus Planck.

Pada tahun 1900, M. Planck (seorang ilmuwan Jerman) mengajukan hipotesis yang menyatakan bahwa emisi dan penyerapan energi tidak terjadi terus menerus, tetapi dalam porsi kecil tertentu - kuanta, dan energi kuantum sebanding dengan frekuensi osilasi (rumus Planck ):

h \u003d 6.625 10 -34 J s - konstanta Planck atau

di mana

Karena radiasi terjadi dalam porsi, energi osilator (atom berosilasi, elektron) E hanya mengambil nilai yang merupakan kelipatan dari bilangan bulat bagian energi elementer, yaitu, hanya nilai diskrit

E = n E o = nhν .

EFEK FOTOELEKTRIK

Pengaruh cahaya pada jalannya proses listrik pertama kali dipelajari oleh Hertz pada tahun 1887. Dia melakukan eksperimen dengan celah percikan listrik dan menemukan bahwa ketika disinari dengan radiasi ultraviolet, pelepasan terjadi pada tegangan yang jauh lebih rendah.

Pada tahun 1889-1895. A.G. Stoletov mempelajari efek cahaya pada logam menggunakan skema berikut. Dua elektroda: katoda K terbuat dari logam yang diteliti dan anoda A (dalam skema Stoletov - jaring logam yang mentransmisikan cahaya) dalam tabung vakum dihubungkan ke baterai sehingga dengan bantuan resistansi R Anda dapat mengubah nilai dan tanda tegangan yang diterapkan padanya. Ketika katoda seng disinari, arus mengalir di sirkuit, yang dicatat oleh miliammeter. Dengan menyinari katoda dengan cahaya dari berbagai panjang gelombang, Stoletov menetapkan hukum dasar berikut:

• Efek terkuat diberikan oleh radiasi ultraviolet;
• Di bawah aksi cahaya, muatan negatif keluar dari katoda;
• Kekuatan arus yang dihasilkan oleh aksi cahaya berbanding lurus dengan intensitasnya.

Lenard dan Thomson pada tahun 1898 mengukur muatan spesifik ( e/ m), partikel yang dikeluarkan, dan ternyata sama dengan muatan spesifik elektron, oleh karena itu, elektron dikeluarkan dari katoda.

2 Efek fotolistrik eksternal. Tiga hukum efek fotolistrik eksternal

Efek fotolistrik eksternal adalah emisi elektron oleh suatu zat di bawah aksi cahaya. Elektron yang lepas dari suatu zat dengan efek fotolistrik eksternal disebut fotoelektron, dan arus yang dihasilkannya disebut arus foto.

Menggunakan skema Stoletov, ketergantungan berikut dari arus foto pada:tegangan yang diterapkan pada fluks bercahaya konstan F(yaitu, karakteristik I–V diperoleh - karakteristik tegangan arus):

Pada tegangan tertentukamuHarus foto mencapai saturasiSaya n - semua elektron yang dipancarkan oleh katoda mencapai anoda, maka arus saturasiSaya n ditentukan oleh jumlah elektron yang dipancarkan oleh katoda per satuan waktu di bawah aksi cahaya. Jumlah fotoelektron yang dilepaskan sebanding dengan jumlah insiden kuanta cahaya pada permukaan katoda. Dan jumlah kuanta cahaya ditentukan oleh fluks bercahaya F jatuh pada katoda. Jumlah fotonNjatuh dari waktu ke waktut ke permukaan ditentukan oleh rumus:

di mana W- energi radiasi yang diterima permukaan selama waktut,

energi foton,

F e -fluks bercahaya (daya radiasi).

hukum 1 efek fotolistrik eksternal (Hukum Stoletov):

Pada frekuensi tetap dari cahaya datang, arus foto saturasi sebanding dengan fluks cahaya datang:

Sayakita~ , =konstan

kamuh - tegangan perlambatan adalah tegangan di mana tidak ada elektron yang dapat mencapai anoda. Oleh karena itu, hukum kekekalan energi dalam hal ini dapat ditulis: energi elektron yang dipancarkan sama dengan energi perlambatan medan listrik.

oleh karena itu, seseorang dapat menemukan kecepatan maksimum fotoelektron yang dipancarkanVmax

hukum 2 efek fotolistrik : kecepatan awal maksimumVmaxfotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya datang (pada F), tetapi hanya ditentukan oleh frekuensinya

hukum 3 efek fotolistrik : untuk setiap zat ada efek foto "batas merah", yaitu, frekuensi minimum kp , tergantung pada sifat kimia zat dan keadaan permukaannya, di mana efek fotolistrik eksternal masih mungkin terjadi.

Hukum kedua dan ketiga dari efek fotolistrik tidak dapat dijelaskan dengan menggunakan sifat gelombang cahaya (atau teori elektromagnetik klasik tentang cahaya). Menurut teori ini, penarikan elektron konduksi dari logam adalah hasil dari "goyangan" mereka oleh medan elektromagnetik dari gelombang cahaya. Semakin besar intensitas cahaya ( F) energi yang ditransmisikan oleh elektron logam harus meningkat, oleh karena itu, itu harus meningkatVmax, dan ini bertentangan dengan hukum ke-2 efek fotolistrik.

Karena, menurut teori gelombang, energi yang ditransmisikan oleh medan elektromagnetik sebanding dengan intensitas cahaya ( F), lalu cahaya apa pun; frekuensi, tetapi intensitas yang cukup tinggi harus menarik elektron dari logam, yaitu, batas merah efek fotolistrik tidak akan ada, yang bertentangan dengan hukum ke-3 efek fotolistrik. Efek fotolistrik eksternal bersifat inersia. Dan teori gelombang tidak dapat menjelaskan ketidakberdayaannya.

3 Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik eksternal.

fungsi kerja

Pada tahun 1905, A. Einstein menjelaskan efek fotolistrik berdasarkan konsep kuantum. Menurut Einstein, cahaya tidak hanya dipancarkan oleh kuanta sesuai dengan hipotesis Planck, tetapi menyebar di ruang angkasa dan diserap oleh materi dalam bagian yang terpisah - kuanta dengan energi E0 = hv. Kuanta radiasi elektromagnetik disebut foton.

Persamaan Einstein (hukum kekekalan energi untuk efek foto eksternal):

Energi foton insiden hv dihabiskan untuk menarik elektron dari logam, yaitu, pada fungsi kerja keluar, dan untuk mengkomunikasikan energi kinetik ke fotoelektron yang dipancarkan.

Energi terkecil yang harus diberikan kepada elektron untuk memindahkannya dari benda padat ke ruang hampa disebut fungsi kerja.

Karena energi Ferm menjadi E Ftergantung pada suhu dan E F, juga berubah dengan suhu, maka, oleh karena itu, keluar tergantung suhu.

Selain itu, fungsi kerja sangat sensitif terhadap permukaan akhir. Menerapkan film ke permukaan Sa, SG, Wa) pada Wkeluarberkurang dari 4,5 eV untuk murniW hingga 1,5 jam 2 eV untuk pengotorW.

Persamaan Einstein memungkinkan untuk menjelaskan dalam c e tiga hukum efek foto eksternal,

Hukum 1 : setiap kuantum diserap hanya oleh satu elektron. Oleh karena itu, jumlah fotoelektron yang dikeluarkan harus sebanding dengan intensitasnya ( F) Sveta

hukum ke-2: Vmax~ dan sejak keluar tidak tergantung pada F, lalu danVmax tidak tergantung pada F

Hukum ke-3: Saat berkurang,Vmax dan untuk = 0 Vmax = 0, oleh karena itu,h 0 = keluar, oleh karena itu, yaitu ada frekuensi minimum, mulai dari mana efek fotolistrik eksternal dimungkinkan.

d e (\displaystyle d\Phi _(e)), dipancarkan oleh area kecil dari permukaan sumber radiasi, ke areanya d S (\gaya tampilan dS) : M e = d e d S . (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)

Mereka juga mengatakan bahwa luminositas energi adalah kerapatan permukaan dari fluks radiasi yang dipancarkan.

Secara numerik, luminositas energi sama dengan modulus rata-rata waktu dari komponen vektor Poynting yang tegak lurus permukaan. Dalam hal ini, rata-rata dilakukan selama waktu yang secara signifikan melebihi periode osilasi elektromagnetik.

Radiasi yang dipancarkan dapat berasal dari permukaan itu sendiri, kemudian seseorang berbicara tentang permukaan yang bercahaya sendiri. Varian lain diamati ketika permukaan diterangi dari luar. Dalam kasus seperti itu, beberapa bagian dari fluks datang pasti kembali sebagai akibat dari hamburan dan refleksi. Maka ekspresi untuk luminositas energi memiliki bentuk:

M e = (ρ + ) E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)

di mana (\displaystyle \rho ) dan (\displaystyle \sigma )- koefisien refleksi dan koefisien hamburan permukaan, masing-masing, dan - radiasinya .

Nama lain dari luminositas energi, terkadang digunakan dalam literatur, tetapi tidak disediakan oleh GOST: - emisivitas dan emisivitas integral.

Kerapatan spektral luminositas energi

Kerapatan spektral luminositas energi M e , (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- rasio besarnya luminositas energi d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) per interval spektral kecil d , (\displaystyle d\lambda ,) tertutup antara (\displaystyle \lambda ) dan + d (\displaystyle \lambda +d\lambda ), dengan lebar interval ini:

M e , (λ) = d M e (λ) d . (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)

Satuan SI adalah W m 3 . Karena panjang gelombang radiasi optik biasanya diukur dalam nanometer, maka dalam praktiknya W m 2 · nm 1 sering digunakan.

Terkadang dalam sastra M e , (\displaystyle M_(e,\lambda )) disebut emisivitas spektral.

Analog ringan

M v = K m 380 n m 780 n m M e , (λ) V (λ) d , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)

di mana K m (\displaystyle K_(m))- efisiensi pancaran radiasi maksimum, sama dalam sistem SI hingga 683 lm / W. Nilai numeriknya mengikuti langsung dari definisi candela.

Informasi tentang besaran fotometrik energi dasar lainnya dan analog cahayanya diberikan dalam tabel. Penunjukan jumlah diberikan sesuai dengan GOST 26148-84.

Besaran fotometrik energi SI

Nama (sinonim)	Penunjukan nilai	Definisi	notasi satuan SI	Nilai ringan
Energi radiasi (energi radiasi)	Q e (\gaya tampilan Q_(e)) atau W (\gaya tampilan W)	Energi yang dibawa oleh radiasi	J	Cahaya, energi,
Fluks radiasi (fluks radiasi)	(\displaystyle \Phi ) atau P (\gaya tampilan P)	e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt)))	sel	Aliran cahaya
Kekuatan radiasi (kekuatan energi cahaya)	I e (\displaystyle I_(e))	I e = d e d (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega )))	Sel sr 1	Kekuatan cahaya
Kepadatan energi radiasi volumetrik	U e (\displaystyle U_(e))	U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV)))	J m 3	Kepadatan volumetrik energi cahaya
Energi kecerahan	L e (\displaystyle L_(e))	L e = d 2 e d Ω d S 1 cos ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2)\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos\varepsilon)))	W m 2 sr 1	Kecerahan
Kecerahan energi integral	e (\displaystyle \Lambda _(e))	e = 0 t L e (t ) d t (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt")	J m 2 sr 1	Kecerahan integral
Iradiasi (penerangan energi)	E e (\displaystyle E_(e))	E e = d e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2))))	W m 2

1. Karakteristik radiasi termal.

2. Hukum Kirchhoff.

3. Hukum radiasi benda hitam.

4. Radiasi Matahari.

5. Fondasi fisik termografi.

6. Terapi cahaya. Penggunaan terapi sinar ultraviolet.

7. Konsep dan rumus dasar.

8. Tugas.

Dari seluruh variasi radiasi elektromagnetik, terlihat atau tidak terlihat oleh mata manusia, seseorang dapat dibedakan, yang melekat pada semua tubuh - ini adalah radiasi termal.

radiasi termal- radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu zat dan timbul karena energi internalnya.

Radiasi termal disebabkan oleh eksitasi partikel materi selama tumbukan dalam proses gerak termal atau oleh gerak muatan yang dipercepat (osilasi ion kisi kristal, gerak termal elektron bebas, dll.). Itu terjadi pada suhu berapa pun dan melekat pada semua tubuh. Ciri khas radiasi termal adalah spektrum kontinu.

Intensitas radiasi dan komposisi spektral tergantung pada suhu tubuh, oleh karena itu, radiasi termal tidak selalu dirasakan oleh mata sebagai pancaran. Misalnya, benda yang dipanaskan hingga suhu tinggi memancarkan sebagian besar energi dalam rentang yang terlihat, dan pada suhu kamar hampir semua energi dipancarkan dalam bagian spektrum inframerah.

26.1. Karakteristik radiasi termal

Energi yang hilang dari tubuh karena radiasi termal dicirikan oleh nilai-nilai berikut.

fluks radiasi(F) - energi yang dipancarkan per satuan waktu dari seluruh permukaan tubuh.

Sebenarnya, ini adalah kekuatan radiasi termal. Dimensi fluks radiasi adalah [J / s \u003d W].

luminositas energi(Re) adalah energi radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu dari permukaan satuan benda yang dipanaskan:

Dimensi karakteristik ini adalah [W / m 2].

Baik fluks radiasi dan luminositas energi bergantung pada struktur zat dan suhunya: = (Т), Re = Re(T).

Distribusi luminositas energi di atas spektrum radiasi termal mencirikan kepadatan spektral. Mari kita nyatakan energi radiasi termal yang dipancarkan oleh satu permukaan dalam 1 s dalam rentang panjang gelombang yang sempit dari λ sebelum λ +d λ, melalui dRe.

Kepadatan spektral luminositas energi(r) atau emisivitas adalah rasio luminositas energi di bagian sempit spektrum (dRe) dengan lebar bagian ini (dλ):

Pandangan perkiraan kepadatan spektral dan luminositas energi (dRe) dalam rentang panjang gelombang dari λ sebelum λ +d λ, ditunjukkan pada gambar. 26.1.

Beras. 26.1. Kerapatan spektral luminositas energi

Ketergantungan kerapatan spektral luminositas energi pada panjang gelombang disebut spektrum radiasi tubuh. Mengetahui ketergantungan ini memungkinkan Anda untuk menghitung luminositas energi tubuh dalam rentang panjang gelombang apa pun:

Tubuh tidak hanya memancarkan, tetapi juga menyerap radiasi termal. Kemampuan suatu benda untuk menyerap energi radiasi bergantung pada zat, suhu, dan panjang gelombang radiasinya. Kapasitas penyerapan tubuh ditandai dengan: koefisien penyerapan monokromatikα.

Biarkan aliran jatuh di permukaan tubuh monokromatik radiasi dengan panjang gelombang . Sebagian dari aliran ini dipantulkan dan sebagian lagi diserap oleh tubuh. Mari kita tunjukkan nilai fluks yang diserap λ abs.

Koefisien penyerapan monokromatik adalah rasio fluks radiasi yang diserap oleh benda tertentu dengan besarnya fluks monokromatik yang datang:

Koefisien serapan monokromatik adalah besaran tak berdimensi. Nilainya terletak antara nol dan satu: 0 1.

Fungsi = (λ,Τ), yang menyatakan ketergantungan koefisien serapan monokromatik pada panjang gelombang dan suhu, disebut kapasitas penyerapan tubuh. Penampilannya bisa sangat kompleks. Jenis penyerapan yang paling sederhana dipertimbangkan di bawah ini.

Badan hitam pekat- benda seperti itu, koefisien penyerapannya sama dengan satu untuk semua panjang gelombang: = 1. Ia menyerap semua insiden radiasi di atasnya.

Menurut sifat penyerapannya, jelaga, beludru hitam, hitam platinum dekat dengan tubuh yang benar-benar hitam. Model benda hitam yang sangat baik adalah rongga tertutup dengan lubang kecil (O). Dinding rongga menghitam pada Gambar. 26.2.

Sinar yang memasuki lubang ini hampir seluruhnya diserap setelah beberapa kali pantulan dari dinding. Perangkat serupa

Beras. 26.2. Model tubuh hitam

digunakan sebagai standar cahaya, digunakan dalam mengukur suhu tinggi, dll.

Kerapatan spektral luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam dilambangkan dengan (λ, ). Fungsi ini memainkan peran penting dalam teori radiasi termal. Bentuknya pertama kali ditetapkan secara eksperimental, dan kemudian diperoleh secara teoritis (rumus Planck).

Tubuh yang benar-benar putih- benda seperti itu, koefisien penyerapannya sama dengan nol untuk semua panjang gelombang: = 0.

Tidak ada benda yang benar-benar putih di alam, namun ada benda yang memiliki sifat yang dekat dengan mereka dalam kisaran suhu dan panjang gelombang yang cukup luas. Misalnya, cermin di bagian optik dari spektrum memantulkan hampir semua cahaya yang datang.

tubuh abu-abu adalah benda yang koefisien absorpsinya tidak bergantung pada panjang gelombang: = const< 1.

Beberapa benda nyata memiliki sifat ini dalam rentang panjang gelombang dan suhu tertentu. Misalnya, "abu-abu" (α = 0.9) dapat dianggap sebagai kulit manusia di wilayah inframerah.

26.2. hukum Kirchhoff

Hubungan kuantitatif antara radiasi dan penyerapan didirikan oleh G. Kirchhoff (1859).

hukum Kirchhoff- sikap emisivitas tubuh untuknya kapasitas penyerapan sama untuk semua benda dan sama dengan kerapatan spektral luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam:

Kami mencatat beberapa konsekuensi dari undang-undang ini.

1. Jika suatu benda pada suhu tertentu tidak menyerap radiasi apa pun, maka benda itu tidak memancarkannya. Memang, jika untuk

26.3. Hukum radiasi benda hitam

Hukum radiasi benda hitam ditetapkan dalam urutan berikut.

Pada tahun 1879, J. Stefan secara eksperimental, dan pada tahun 1884, L. Boltzmann secara teoritis menentukan luminositas energi tubuh yang benar-benar hitam.

Hukum Stefan-Boltzmann - Luminositas energi benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu absolutnya:

Nilai koefisien penyerapan untuk beberapa bahan diberikan dalam Tabel. 26.1.

Tabel 26.1. koefisien penyerapan

Fisikawan Jerman W. Wien (1893) menetapkan rumus untuk panjang gelombang yang menjelaskan maksimum emisivitas tubuh yang benar-benar hitam. Rasio yang dia terima dinamai menurut namanya.

Saat suhu naik, emisivitas maksimum sedang bergeser ke kiri (Gbr. 26.3).

Beras. 26.3. Ilustrasi hukum perpindahan Wien

Di meja. 26.2 menunjukkan warna di bagian spektrum yang terlihat, sesuai dengan radiasi benda pada suhu yang berbeda.

Tabel 26.2. Warna tubuh yang dipanaskan

Menggunakan hukum Stefan-Boltzmann dan Wien, adalah mungkin untuk menentukan suhu benda dengan mengukur radiasi benda-benda ini. Misalnya, suhu permukaan Matahari (~6000 K), suhu di pusat ledakan (~10 6 K), dll. ditentukan dengan cara ini. Nama umum untuk metode ini adalah pirometri.

Pada tahun 1900, M. Planck menerima formula untuk menghitung emisivitas tubuh benar-benar hitam secara teoritis. Untuk melakukan ini, dia harus meninggalkan ide klasik tentang kontinuitas proses radiasi gelombang elektromagnetik. Menurut Planck, fluks radiasi terdiri dari bagian-bagian yang terpisah - kuanta, yang energinya sebanding dengan frekuensi cahaya:

Dari rumus (26.11) secara teoritis dapat diperoleh hukum Stefan-Boltzmann dan Wien.

26.4. Radiasi matahari

Di dalam tata surya, Matahari adalah sumber radiasi termal paling kuat yang menentukan kehidupan di Bumi. Radiasi matahari memiliki sifat penyembuhan (helioterapi), digunakan sebagai sarana pengerasan. Itu juga dapat memiliki efek negatif pada tubuh (luka bakar, termal

Spektrum radiasi matahari di perbatasan atmosfer bumi dan di permukaan bumi berbeda (Gbr. 26.4).

Beras. 26.4. Spektrum radiasi matahari: 1 - di batas atmosfer, 2 - di permukaan Bumi

Pada batas atmosfer, spektrum Matahari mendekati spektrum benda hitam. Emisi maksimum adalah pada 1maks= 470 nm (biru).

Di dekat permukaan bumi, spektrum radiasi matahari memiliki bentuk yang lebih kompleks, yang berhubungan dengan penyerapan di atmosfer. Secara khusus, itu tidak mengandung bagian frekuensi tinggi dari radiasi ultraviolet, yang berbahaya bagi organisme hidup. Sinar ini hampir seluruhnya diserap oleh lapisan ozon. Emisi maksimum adalah pada 2maks= 555 nm (hijau-kuning), yang sesuai dengan sensitivitas mata terbaik.

Fluks radiasi panas matahari pada batas atmosfer bumi menentukan konstanta matahari SAYA.

Fluks yang mencapai permukaan bumi jauh lebih sedikit karena penyerapan di atmosfer. Di bawah kondisi yang paling menguntungkan (matahari di puncaknya), tidak melebihi 1120 W / m 2. Di Moskow pada saat titik balik matahari musim panas (Juni) - 930 W / m 2.

Baik kekuatan radiasi matahari di dekat permukaan bumi dan komposisi spektralnya sangat bergantung pada ketinggian Matahari di atas cakrawala. pada gambar. 26.5 kurva halus distribusi energi sinar matahari diberikan: I - di luar atmosfer; II - pada posisi Matahari di puncak; III - pada ketinggian 30 ° di atas cakrawala; IV - dalam kondisi mendekati matahari terbit dan terbenam (10° di atas cakrawala).

Beras. 26.5. Distribusi energi dalam spektrum Matahari pada ketinggian yang berbeda di atas cakrawala

Komponen yang berbeda dari spektrum matahari melewati atmosfer bumi dengan cara yang berbeda. Gambar 26.6 menunjukkan transparansi atmosfer pada ketinggian Matahari yang tinggi.

26.5. Dasar fisik termografi

Radiasi termal seseorang merupakan bagian yang signifikan dari kehilangan termalnya. Kehilangan radiasi seseorang sama dengan perbedaannya dipancarkan mengalir dan terserap fluks radiasi lingkungan. Daya rugi radiasi dihitung dengan rumus

di mana S adalah luas permukaan; δ - penurunan koefisien penyerapan kulit (pakaian), dianggap sebagai tubuh abu-abu; T 1 - suhu permukaan tubuh (pakaian); T 0 - suhu lingkungan.

Perhatikan contoh berikut.

Mari kita hitung kekuatan kehilangan radiasi orang telanjang pada suhu sekitar 18°C ​​(291 K). Mari kita ambil: luas permukaan tubuh S = 1,5 m 2; suhu kulit T 1 = 306 K (33°C). Koefisien penyerapan berkurang dari kulit ditemukan pada Tabel. 26.1 (δ \u003d 5.1 * 10 -8 W / m 2 K 4). Mengganti nilai-nilai ini ke dalam rumus (26.11), kami memperoleh

P \u003d 1,5 * 5,1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) 122 W.

Beras. 26.6. Transparansi atmosfer bumi (dalam persen) untuk berbagai bagian spektrum pada ketinggian Matahari yang tinggi.

Radiasi termal manusia dapat digunakan sebagai parameter diagnostik.

Termografi - metode diagnostik berdasarkan pengukuran dan pendaftaran radiasi termal dari permukaan tubuh manusia atau bagian individualnya.

Distribusi suhu di area kecil permukaan tubuh dapat ditentukan dengan menggunakan film kristal cair khusus. Film tersebut sensitif terhadap perubahan suhu kecil (perubahan warna). Oleh karena itu, "potret" termal warna dari area tubuh yang ditumpangkannya muncul di film.

Cara yang lebih maju adalah dengan menggunakan pencitra termal yang mengubah radiasi inframerah menjadi cahaya tampak. Radiasi tubuh diproyeksikan ke matriks imager termal menggunakan lensa khusus. Setelah konversi, potret termal terperinci terbentuk di layar. Daerah dengan suhu yang berbeda berbeda dalam warna atau intensitas. Metode modern memungkinkan untuk memperbaiki perbedaan suhu hingga 0,2 derajat.

Potret termal digunakan dalam diagnostik fungsional. Berbagai patologi organ dalam dapat terbentuk di permukaan zona kulit dengan suhu yang berubah. Deteksi zona tersebut menunjukkan adanya patologi. Metode termografi memfasilitasi diagnosis banding antara tumor jinak dan ganas. Metode ini merupakan sarana obyektif untuk memantau efektivitas metode terapi pengobatan. Jadi, selama pemeriksaan termografi pasien dengan psoriasis, ditemukan bahwa dengan adanya infiltrasi parah dan hiperemia pada plak, peningkatan suhu dicatat. Penurunan suhu ke tingkat daerah sekitarnya dalam banyak kasus menunjukkan regresi proses pada kulit.

Demam sering menjadi indikator infeksi. Untuk menentukan suhu seseorang, cukup dengan melihat melalui perangkat inframerah di wajah dan lehernya. Untuk orang sehat, rasio suhu dahi terhadap suhu karotis berkisar antara 0,98 hingga 1,03. Rasio ini dapat digunakan dalam diagnostik ekspres selama epidemi untuk tindakan karantina.

26.6. Fototerapi. Penggunaan terapi sinar ultraviolet

Radiasi inframerah, cahaya tampak dan radiasi ultraviolet banyak digunakan dalam pengobatan. Ingat rentang panjang gelombangnya:

Fototerapi disebut penggunaan inframerah dan radiasi tampak untuk tujuan terapeutik.

Menembus ke dalam jaringan, sinar inframerah (dan juga yang terlihat) di tempat penyerapannya menyebabkan pelepasan panas. Kedalaman penetrasi sinar infra merah dan sinar tampak ke dalam kulit ditunjukkan pada Gambar. 26.7.

Beras. 26.7. Kedalaman penetrasi radiasi ke dalam kulit

Dalam praktik medis, iradiator khusus digunakan sebagai sumber radiasi inframerah (Gbr. 26.8).

Lampu kecil adalah lampu pijar dengan reflektor yang melokalisasi radiasi ke arah yang diperlukan. Sumber radiasi adalah lampu pijar 20-60 W yang terbuat dari kaca tidak berwarna atau biru.

Mandi air panas ringan adalah bingkai setengah silinder, terdiri dari dua bagian yang terhubung secara bergerak satu sama lain. Di permukaan bagian dalam bingkai, menghadap pasien, lampu pijar dengan daya 40 W dipasang. Di pemandian seperti itu, objek biologis dipengaruhi oleh inframerah dan radiasi tampak, serta udara panas, yang suhunya bisa mencapai 70 °C.

Lampu Sollux adalah lampu pijar yang kuat ditempatkan di reflektor khusus pada tripod. Sumber radiasi adalah lampu pijar dengan daya 500 W (suhu filamen tungsten 2800 °C, radiasi maksimum jatuh pada panjang gelombang 2 m).

Beras. 26.8. Iradiator: Lampu minin (a), penangas termal ringan (b), lampu Sollux (c)

Penggunaan terapi sinar ultraviolet

Radiasi ultraviolet yang digunakan untuk tujuan medis dibagi menjadi tiga rentang:

Ketika radiasi ultraviolet diserap dalam jaringan (di kulit), berbagai reaksi fotokimia dan fotobiologis terjadi.

digunakan sebagai sumber radiasi. lampu tekanan tinggi(busur, merkuri, tabung), berpendar lampu, pelepasan gas lampu tekanan rendah salah satu varietasnya adalah lampu bakterisida.

Sebuah radiasi memiliki efek eritema dan penyamakan. Ini digunakan dalam pengobatan banyak penyakit dermatologis. Beberapa senyawa kimia dari seri furocoumarin (misalnya, psoralen) mampu membuat kulit pasien peka terhadap radiasi ultraviolet gelombang panjang dan merangsang pembentukan pigmen melanin dalam melanosit. Penggunaan gabungan obat-obatan ini dengan radiasi-A adalah dasar dari metode pengobatan yang disebut fotokemoterapi atau terapi PUVA(PUVA: P - psoralen; UVA - zona radiasi ultraviolet A). Sebagian atau seluruh tubuh terkena radiasi.

radiasi B memiliki efek anti-rachitic pembentuk vitamin.

radiasi C memiliki efek bakterisida. Iradiasi menghancurkan struktur mikroorganisme dan jamur. C-radiasi dibuat oleh lampu bakterisida khusus (Gbr. 26.9).

Beberapa teknik medis menggunakan C-radiasi untuk menyinari darah.

Kelaparan ultraviolet. Radiasi ultraviolet diperlukan untuk perkembangan dan fungsi normal tubuh. Kekurangannya menyebabkan sejumlah penyakit serius. Penduduk di wilayah ekstrem menghadapi kelaparan ultraviolet

Beras. 26.9. Iradiator bakterisida (a), iradiator nasofaring (b)

Utara, pekerja di industri pertambangan, kereta bawah tanah, penduduk kota besar. Di kota-kota, kurangnya radiasi ultraviolet dikaitkan dengan polusi udara oleh debu, asap, dan gas yang menghalangi bagian UV dari spektrum matahari. Jendela tempat tidak mentransmisikan sinar UV dengan panjang gelombang< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Bahaya radiasi ultraviolet

Paparan berlebihan dosis radiasi ultraviolet pada tubuh secara keseluruhan dan pada organ individualnya menyebabkan sejumlah patologi. Pertama-tama, ini mengacu pada konsekuensi dari berjemur yang tidak terkendali: luka bakar, bintik-bintik penuaan, kerusakan mata - perkembangan fotoftalmia. Efek radiasi ultraviolet pada mata mirip dengan eritema, karena dikaitkan dengan penguraian protein dalam sel-sel kornea dan selaput lendir mata. Sel-sel kulit manusia yang hidup dilindungi dari aksi destruktif sinar UV "mati

mi" sel-sel stratum korneum kulit. Mata kehilangan perlindungan ini, oleh karena itu, dengan dosis iradiasi mata yang signifikan, peradangan pada tanduk (keratitis) dan selaput lendir (konjungtivitis) mata berkembang setelah periode laten. Efek ini disebabkan oleh sinar dengan panjang gelombang kurang dari 310 nm. Penting untuk melindungi mata dari sinar seperti itu. Perhatian khusus harus diberikan pada efek blastomogenik dari radiasi UV, yang mengarah pada perkembangan kanker kulit.

26.7. Konsep dan rumus dasar

Lanjutan tabel

Akhir meja

26.8. tugas

2. Tentukan berapa kali luminositas energi area permukaan tubuh manusia berbeda, yang memiliki suhu masing-masing 34 dan 33 ° C?

3. Saat mendiagnosis tumor payudara dengan termografi, pasien diberikan larutan glukosa untuk diminum. Setelah beberapa waktu, radiasi termal permukaan tubuh dicatat. Sel-sel jaringan tumor secara intensif menyerap glukosa, akibatnya produksi panasnya meningkat. Berapa derajat suhu area kulit di atas tumor berubah jika radiasi dari permukaan meningkat sebesar 1% (1,01 kali)? Suhu awal area tubuh adalah 37°C.

6. Berapa kenaikan suhu tubuh manusia jika fluks radiasi dari permukaan tubuh meningkat sebesar 4%? Suhu awal tubuh adalah 35°C.

7. Ada dua ceret identik di sebuah ruangan yang berisi air dengan massa yang sama pada 90 ° C. Satu berlapis nikel dan yang lainnya berwarna hitam. Ketel mana yang akan mendingin paling cepat? Mengapa?

Keputusan

Menurut hukum Kirchhoff, rasio kemampuan memancarkan dan menyerap adalah sama untuk semua benda. Teko berlapis nikel memantulkan hampir semua cahaya. Oleh karena itu, daya serapnya kecil. Dengan demikian, emisivitas juga kecil.

Menjawab: ketel gelap akan mendingin lebih cepat.

8. Untuk penghancuran serangga hama, biji-bijian terkena radiasi inframerah. Mengapa serangga mati, tetapi biji-bijian tidak?

Menjawab: bug punya hitam warna, oleh karena itu secara intensif menyerap radiasi infra merah dan binasa.

9. Saat memanaskan sepotong baja, kita akan mengamati panas merah ceri yang cerah pada suhu 800 ° C, tetapi batang transparan kuarsa yang menyatu tidak menyala sama sekali pada suhu yang sama. Mengapa?

Keputusan

Lihat masalah 7. Benda transparan menyerap sebagian kecil cahaya. Oleh karena itu, emisivitasnya kecil.

Menjawab: tubuh transparan praktis tidak memancar, bahkan ketika dipanaskan dengan kuat.

10. Mengapa banyak hewan tidur meringkuk dalam cuaca dingin?

Menjawab: dalam hal ini, permukaan terbuka tubuh berkurang dan, karenanya, kehilangan radiasi berkurang.

Radiasi termal tubuh disebut radiasi elektromagnetik yang terjadi karena bagian dari energi internal tubuh, yang terkait dengan gerakan termal partikelnya.

Karakteristik utama radiasi termal benda yang dipanaskan hingga suhu T adalah:

1. Energi kilauR (T ) -jumlah energi yang dipancarkan per satuan waktu per satuan permukaan tubuh, di seluruh rentang panjang gelombang. Tergantung pada suhu, sifat dan keadaan permukaan tubuh yang memancar. Dalam sistem SI R ( T ) memiliki dimensi [W/m 2 ].

2. Kerapatan spektral luminositas energir (  ,T) =dW/ d - jumlah energi yang dipancarkan oleh satu unit permukaan tubuh per unit waktu dalam interval satuan panjang gelombang (mendekati panjang gelombang yang dipertimbangkan ). Itu. kuantitas ini secara numerik sama dengan rasio energi dW dipancarkan per satuan luas per satuan waktu dalam rentang panjang gelombang yang sempit dari  sebelum  +d , dengan lebar interval ini. Itu tergantung pada suhu tubuh, panjang gelombang, dan juga pada sifat dan keadaan permukaan tubuh yang memancar. Dalam sistem SI r( , T) memiliki dimensi [W/m 3 ].

luminositas energi R(T) terkait dengan kerapatan spektral luminositas energi r( , T) dengan cara berikut:

(1) [W/m2]

3. Semua benda tidak hanya memancarkan, tetapi juga menyerap gelombang elektromagnetik yang terjadi di permukaannya. Untuk menentukan kapasitas penyerapan benda dalam kaitannya dengan gelombang elektromagnetik dari panjang gelombang tertentu, konsep diperkenalkan koefisien penyerapan monokromatik-rasio energi gelombang monokromatik yang diserap oleh permukaan tubuh dengan energi gelombang monokromatik yang datang:

Koefisien serapan monokromatik adalah besaran tak berdimensi yang bergantung pada suhu dan panjang gelombang. Ini menunjukkan berapa fraksi energi gelombang monokromatik yang diserap oleh permukaan tubuh. Nilai ( , T) dapat mengambil nilai dari 0 hingga 1.

Radiasi dalam sistem tertutup adiabatik (tidak bertukar panas dengan lingkungan) disebut kesetimbangan. Jika lubang kecil dibuat di dinding rongga, keadaan kesetimbangan akan sedikit berubah, dan radiasi yang meninggalkan rongga akan sesuai dengan radiasi kesetimbangan.

Jika sinar diarahkan ke lubang seperti itu, maka setelah pemantulan dan penyerapan berulang pada dinding rongga, itu tidak akan bisa keluar lagi. Ini berarti bahwa untuk lubang seperti itu, koefisien penyerapan ( , T) = 1.

Rongga tertutup yang dianggap dengan lubang kecil berfungsi sebagai salah satu model tubuh yang benar-benar hitam.

Badan hitam pekatsebuah benda disebut yang menyerap semua insiden radiasi di atasnya, terlepas dari arah radiasi datang, komposisi spektral dan polarisasinya (tanpa memantulkan atau mentransmisikan apa pun).

Untuk benda hitam, kerapatan spektral luminositas energi adalah beberapa fungsi universal dari panjang gelombang dan suhu f( , T) dan tidak tergantung pada sifatnya.

Semua benda di alam sebagian mencerminkan insiden radiasi di permukaannya dan oleh karena itu bukan milik benda hitam mutlak. Jika koefisien serapan monokromatik suatu benda sama untuk semua panjang gelombang dan kurangunit(( , T) = = konstanta<1),maka tubuh seperti itu disebut Abu-abu. Koefisien penyerapan monokromatik benda abu-abu hanya bergantung pada suhu benda, sifatnya dan keadaan permukaannya.

Kirchhoff menunjukkan bahwa untuk semua benda, terlepas dari sifatnya, rasio kerapatan spektral luminositas energi dengan koefisien penyerapan monokromatik adalah fungsi universal panjang gelombang dan suhu yang sama. f( , T) , yang merupakan kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam :

Persamaan (3) adalah hukum Kirchhoff.

hukum Kirchhoff dapat dirumuskan seperti ini: untuk semua benda sistem yang berada dalam kesetimbangan termodinamika, rasio kerapatan spektral luminositas energi terhadap koefisien Penyerapan monokromatik tidak bergantung pada sifat benda, fungsinya sama untuk semua benda, bergantung pada panjang gelombang dan suhu T

Dari rumus di atas dan (3) jelas bahwa pada suhu tertentu, benda abu-abu yang memiliki koefisien absorpsi besar memancar lebih kuat, dan benda hitam mutlak memancar paling kuat. Karena untuk tubuh yang benar-benar hitam(  , T)=1, maka rumus (3) menyiratkan bahwa fungsi universal f( , T) adalah kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam