"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Излучение — способ передачи энергии электромагнитными волнами, которому не нужны ни соприкосновение тел, ни вещество между ними. Поэтому энергия Солнца проходит через космический вакуум и достигает Земли. Тепловое излучение испускают все тела, хотя его интенсивность зависит от температуры и свойств поверхности. Попавшее на тело излучение может поглотиться и нагреть его или отразиться. Тёмные поверхности обычно лучше поглощают энергию, а светлые и блестящие — отражают, поэтому выбор поверхности помогает регулировать нагревание.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Излучение — это передача энергии электромагнитными волнами. Волны могут распространяться и там, где нет вещества, поэтому тела не обязаны соприкасаться или быть соединёнными воздухом. Это объясняет, как энергия передаётся через пустое пространство.
Тепловое излучение — излучение, связанное с температурой тела. Его испускают все тела, а не только раскалённые; при обычной температуре оно просто может быть незаметно для глаза. Это понятие помогает описывать обмен энергией между телами.
Поглощение излучения — передача энергии излучения телу, на которое оно падает. Полученная энергия увеличивает внутреннюю энергию тела, поэтому его температура может повыситься. По поглощению можно понять, почему разные поверхности при одинаковом освещении нагреваются неодинаково.
Отражение излучения — изменение направления волн при взаимодействии с поверхностью. При этом излучение уходит от поверхности, а не передаёт ей всю свою энергию, как при поглощении. В реальности часть излучения может отражаться, а часть поглощаться.
Нагретое тело испускает электромагнитные волны, уносящие энергию от него. Вещества состоят из частиц, которые находятся в тепловом движении; при этом часть энергии тела может переноситься излучением. Попав на другое тело, волны взаимодействуют с его поверхностью. Так энергия может перейти от более нагретого тела к другому без прямого соприкосновения.
Излучение способно распространяться в вакууме, поскольку для движения электромагнитных волн не требуется перенос вещества. В промежутке между Солнцем и Землёй почти нет вещества, которое могло бы передавать энергию при столкновениях или движении потоков. Волны проходят это пространство и достигают Земли. Поэтому планета получает солнечную энергию, хотя Солнце её не касается.
Когда излучение попадает на поверхность, оно не обязательно целиком поглощается или целиком отражается. Одна часть энергии может передаться телу, а другая — отразиться и изменить направление. Поглощённая энергия увеличивает внутреннюю энергию вещества и обычно повышает его температуру. Отражённая часть продолжает распространяться, поэтому нагревание зависит от того, какая доля излучения поглощена.
Тёмные поверхности обычно поглощают больше падающего излучения, чем светлые. Значительная часть энергии остаётся в теле, поэтому при одинаковом облучении оно получает больше энергии и нагревается сильнее. Этим объясняется, почему чёрная ткань на солнце часто становится горячее белой. Речь идёт о сравнении поверхностей при одинаковых условиях, а не о том, что цвет сам по себе производит тепло.
Светлые и особенно блестящие поверхности обычно отражают большую долю падающего излучения. Так как поглощается меньше энергии, тело под такой поверхностью слабее нагревается. Это свойство используют, когда нужно уменьшить нагревание, например при выборе внешней поверхности некоторых сосудов. Но отражение не бывает гарантированным способом полностью остановить теплообмен: поверхность может поглотить часть излучения, а энергия может передаваться и другими способами.
| Характеристика | Тёмная поверхность | Светлая или блестящая поверхность |
|---|---|---|
| Поглощение излучения | Обычно лучше поглощает | Обычно поглощает меньше |
| Отражение излучения | Обычно отражает меньше | Обычно лучше отражает |
| Нагревание при одинаковом облучении | Обычно нагревается сильнее | Обычно нагревается слабее |
| Пример применения | Тёмный наружный слой может лучше поглощать солнечную энергию | Блестящая поверхность сосуда помогает уменьшить нагревание |
Сравнивайте поверхности в одной строке и помните, что речь идёт об обычной закономерности, а не абсолютном правиле. Если поверхность поглощает больше излучения, она, как правило, получает больше энергии и сильнее нагревается. Таблица помогает связать отражение и поглощение с результатом нагревания.
Нужно определить, каким способом энергия проходит через пространство, где почти нет вещества. Теплопроводность и конвекция требуют вещества для передачи энергии, а излучение может распространяться в вакууме. Значит, искать контакт Солнца с Землёй не нужно. Проверим ход рассуждения по шагам.
Ответ: Земля получает энергию от Солнца благодаря излучению, которое проходит через вакуум.
Пластины одинаковы и получают излучение от одной лампы, поэтому сравниваем прежде всего их поверхности. Тёмные поверхности обычно поглощают большую долю падающего излучения, а светлые — больше отражают. Следовательно, к чёрной пластине перейдёт больше энергии. Чтобы ответить, проследим, что происходит с этой энергией.
Ответ: сильнее нагреется чёрная пластина, потому что она обычно лучше поглощает излучение. Светлая пластина тоже может нагреться, но значительную часть энергии она отражает.
В этой задаче нужно разделить два вопроса: как поверхность влияет на поглощение и может ли излучение идти через пространство. Блестящая поверхность обычно отражает большую долю падающих волн, поэтому сосуд поглощает меньше энергии. Но отражение не превращает поверхность в преграду для всех волн и не отменяет распространение излучения. Рассуждение можно проверить по шагам.
Ответ: блестящая поверхность уменьшает нагревание, потому что отражает больше излучения и поглощает меньше. Само излучение передаёт энергию через пространство без переноса вещества и контакта, но защита поверхности не делает нагревание абсолютно невозможным.
Ошибка — считать, что тепло передаётся только при контакте тел или движении вещества. Так думают, потому что теплопроводность и конвекцию легче заметить в быту. Излучение тоже переносит энергию и может идти через вакуум. Проверка: вспомните, что между Солнцем и Землёй нет сплошной среды, но солнечная энергия доходит до поверхности.
Ошибка — утверждать, что излучают только раскалённые тела. Яркое свечение горячего предмета хорошо заметно, а излучение более холодного тела глаз может не видеть. Тем не менее тепловое излучение испускают все тела. Проверка: не связывайте наличие излучения только с видимым светом или раскалённым состоянием.
Ошибка — путать поглощение и отражение. Эти слова могут казаться похожими, потому что оба описывают взаимодействие излучения с поверхностью. Но при поглощении энергия передаётся телу и может его нагреть, а при отражении волна меняет направление. Проверка: спросите себя, осталась ли энергия в теле или ушла вместе с отражённым излучением.
Ошибка — считать, что светлая поверхность совсем не нагревается. Она обычно поглощает меньше излучения, чем тёмная, но не обязательно отражает его полностью. Поэтому часть энергии всё же может перейти телу. Проверка: замените «не нагревается» на «обычно нагревается слабее при одинаковом облучении».
Для понимания теплообмена нужно знать, что температура характеризует тепловое состояние тела, а при нагревании тело получает энергию. Излучение — один из трёх рассматриваемых способов теплопередачи наряду с теплопроводностью и конвекцией. В отличие от них, оно может переносить энергию без вещества между телами. Эти знания пригодятся при изучении энергии Солнца, теплообмена и теплоизоляции: свойства поверхностей помогают управлять тем, сколько излучения поглощается или отражается.
Как тепло от Солнца доходит до Земли через вакуум?
Солнце передаёт энергию электромагнитными волнами — излучением. Волны могут распространяться в вакууме, поэтому для передачи энергии им не нужны ни воздух, ни другое вещество.
Излучают ли тепло холодные тела?
Да, тепловое излучение испускают все тела, а не только раскалённые. Чем выше температура тела, тем интенсивнее обычно его излучение.
Почему чёрная одежда сильнее нагревается на солнце?
Чёрная поверхность обычно поглощает больше падающего излучения, чем светлая. Поглощённая энергия переходит во внутреннюю энергию тела, поэтому одежда нагревается сильнее.
Чем поглощение излучения отличается от его отражения?
При поглощении энергия излучения передаётся телу и может нагреть его. При отражении излучение меняет направление и уходит от поверхности, не передавая ей всю свою энергию.
Почему блестящая поверхность помогает уменьшить нагревание?
Блестящая поверхность обычно хорошо отражает падающее излучение и поглощает его меньше. Поэтому тело получает меньше энергии и медленнее нагревается, хотя полностью исключить нагревание такая поверхность не может.
6. Излучение
