§ 6.1. Тепловое излучение

Определения и обозначения

Тепловое излучение — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Его испускает любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, а не только раскалённое. Это понятие помогает описывать передачу энергии без непосредственного контакта тел.

Излучательная способность тела характеризует энергию, которую тело излучает за единицу времени с единицы поверхности. Она зависит от температуры и частоты излучения, поэтому одного значения температуры недостаточно, чтобы полностью описать спектр тела. Эта характеристика нужна для сравнения того, как разные поверхности излучают энергию.

Поглощательная способность тела — доля падающего на него излучения, которая поглощается, а не отражается или проходит насквозь. Она зависит от свойств поверхности и частоты излучения. С её помощью можно понять, почему одинаковые тела по-разному нагреваются под действием одного и того же излучения.

Абсолютно чёрное тело — идеализированное тело, полностью поглощающее падающее на него излучение. Это модель, а не обязательно предмет, который выглядит чёрным для глаза. Она нужна как предельный образец для изучения теплового излучения и сравнения с реальными телами.

Как это устроено

Внутри вещества частицы находятся в непрерывном движении; заряженные частицы могут ускоряться и взаимодействовать друг с другом. Такое движение приводит к испусканию электромагнитных волн, которые переносят энергию от тела. Поэтому тепловое излучение связано с внутренним состоянием вещества, а не требует соприкосновения с другим телом. Чем активнее движение частиц, тем больше энергии может уноситься излучением.

При нагревании средняя энергия внутреннего движения частиц возрастает, и тело за одинаковое время излучает больше энергии. Меняется не только общая интенсивность, но и распределение энергии по частотам: сильнее проявляются более высокочастотные составляющие. Поэтому максимум излучения смещается к высоким частотам. Например, тело может сначала излучать преимущественно невидимые волны, а при дальнейшем нагревании начать заметно светиться.

Излучение не прекращается, когда тело оказывается рядом с другими телами: оно одновременно испускает собственные волны и поглощает те, что приходят извне. Если за некоторое время тело поглощает больше энергии, чем отдаёт излучением, его внутренняя энергия и температура растут. Если отдаёт больше, оно остывает. При равновесии поступление и отдача в среднем компенсируют друг друга, поэтому температура из-за этого обмена не меняется.

Поверхность определяет, какая доля падающей энергии поглотится, а какая отразится или пройдёт дальше. Матовая тёмная поверхность обычно поглощает больше энергии, чем блестящая: у последней значительная часть излучения отражается. Хорошее поглощение обычно сочетается с хорошим излучением, потому что свойства, позволяющие поверхности эффективно взаимодействовать с волнами, важны для обоих процессов. Поэтому блестящий предмет может слабее нагреваться от внешнего излучения и одновременно хуже отдавать энергию излучением.

Абсолютно чёрное тело удобно представить в виде полости с маленьким отверстием. Луч, попавший через отверстие внутрь, отражается от стенок снова и снова, причём при каждом взаимодействии часть его энергии поглощается. Чтобы выйти обратно, оставшаяся энергия должна случайно направиться точно к отверстию, поэтому вероятность выхода мала. В результате отверстие поглощает почти всё падающее на него излучение и служит практической моделью абсолютно чёрного тела.

Сравнение теплового излучения разных тел и моделей

В таблице сопоставлены модели и поверхности по тому, что происходит с падающим излучением, и по характеру собственного излучения. Сравнивая строки, сначала учитывай, какая доля энергии поглощается или отражается, а затем — температуру и частоту. Абсолютно чёрное тело задаёт идеальный предел, тогда как реальные поверхности лишь приближаются к нему.

Разбор задач

Задача 1. Два тела одинаковой температуры имеют матовую чёрную и блестящую поверхности. Нужно сравнить их способность поглощать падающее излучение. Температуры одинаковы, поэтому сравниваем именно поверхности, а не степень нагрева тел.

1. Матовая чёрная поверхность обычно отражает меньшую долю падающих волн.
2. Значит, большая доля энергии поглощается ею и передаётся телу.
3. Блестящая поверхность отражает значительную часть излучения, поэтому поглощает меньше.

Ответ: матовая чёрная поверхность поглощает падающее излучение лучше блестящей. Сравнение относится к поглощению: отражённая энергия не становится поглощённой телом.

Задача 2. Объяснить, почему отверстие в закрытой полости хорошо поглощает падающее на него излучение. Важно проследить путь луча после того, как он попал внутрь. Одного отражения недостаточно, чтобы оценить вероятность выхода из полости.

1. Луч проходит через отверстие и попадает на внутреннюю стенку полости.
2. После отражения он снова встречает стенку; при каждом взаимодействии часть энергии поглощается.
3. После нескольких отражений энергии остаётся мало, а направление к маленькому отверстию выбирается редко.

Ответ: излучение почти полностью поглощается внутри, поэтому отверстие ведёт себя как поверхность абсолютно чёрного тела. Чем меньше отверстие относительно размеров полости, тем труднее лучу выйти наружу.

Задача 3. Нагретое тело остывает в помещении. Нужно объяснить роль теплового излучения и выяснить, что изменится при тепловом равновесии с окружением. Тело не только отдаёт энергию, но и поглощает излучение окружающих предметов.

1. Пока тело горячее окружения, его отдача энергии излучением в среднем превышает поглощение.
2. Из-за этого внутренняя энергия тела уменьшается, и оно остывает.
3. По мере снижения температуры меняется баланс отдаваемой и поглощаемой энергии.
4. При равновесии потоки уравновешиваются: результирующий обмен не вызывает изменения температуры.

Ответ: тело остывает, пока теряет излучением больше энергии, чем получает. При тепловом равновесии обмен продолжается, но его баланс не меняет температуру.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что излучают только раскалённые тела. Такое впечатление возникает потому, что глаз замечает лишь видимое свечение. На самом деле излучение испускает любое тело с температурой выше абсолютного нуля, часто в невидимом диапазоне. Проверка простая: отсутствие видимого света не означает отсутствия электромагнитного излучения.

Ошибка: отождествлять тепловое излучение с видимым светом. Видимое свечение — только часть возможного спектра, а у многих тел значительная доля энергии приходится на инфракрасные волны. Путаница появляется из-за того, что раскалённые предметы действительно могут светиться. Проверяй себя вопросом: способен ли прибор зарегистрировать излучение, которого не видит глаз?

Ошибка: думать, что тело только излучает или только поглощает. Оба процесса идут одновременно, а температура определяется их результирующим балансом. Часто путают наличие процесса с преобладанием одного из них. Чтобы проверить рассуждение, отдельно оцени получаемую и отдаваемую энергию.

Ошибка: считать абсолютно чёрное тело обязательно чёрным на вид. Название описывает полное поглощение падающего излучения, а не постоянный цвет предмета. Реальный вид зависит от того, как тело излучает при данной температуре и какие частоты воспринимает глаз. Проверь определение: решающий признак модели — отсутствие отражённого и прошедшего падающего излучения.

Связь с другими темами

Для понимания теплового излучения нужно знать, что электромагнитные волны переносят энергию и могут поглощаться, отражаться и испускаться веществом. Тема связана с внутренней энергией: именно внутреннее движение частиц обусловливает излучение, а обмен энергией может менять температуру. Она дополняет теплопроводность и другие способы теплопередачи, позволяя рассматривать тепловой баланс без контакта тел. Эти идеи применяют при изучении тепловых приборов и излучения звёзд.

Что запомнить

• Любое тело с температурой выше абсолютного нуля испускает тепловое излучение.
• Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами.
• При повышении температуры излучение становится интенсивнее, а его спектр смещается к более высоким частотам.
• Тело одновременно излучает и поглощает энергию.
• Абсолютно чёрное тело полностью поглощает падающее на него излучение.
• Полость с малым отверстием приближённо моделирует абсолютно чёрное тело.