§ 23. Излучение

Определения и обозначения

Излучение — способ передачи энергии электромагнитными волнами. Электромагнитные волны могут распространяться без вещества, поэтому излучение передаёт энергию даже через вакуум. Это объясняет, почему тепло от удалённого источника может достигать тела, не соприкасаясь с ним.

Тепловое излучение — излучение, которое тела испускают благодаря своей внутренней энергии. Его испускают все тела, в том числе те, которые кажутся холодными: просто интенсивность излучения у них может быть меньше. Понятие помогает понять, почему энергия уходит от нагретого предмета даже без контакта с другими телами.

Поглощение излучения — превращение энергии падающего излучения во внутреннюю энергию тела. Частицы тела получают энергию, и его температура может повыситься. По тому, насколько хорошо поверхность поглощает излучение, можно объяснить различия в нагревании предметов на солнце.

Отражение излучения — изменение направления излучения при взаимодействии с поверхностью. Отражённая энергия не поглощается телом и уходит от него в другом направлении. Это понятие нужно, чтобы отличать поглощение от отражения и понимать, почему блестящие поверхности часто нагреваются слабее.

Как это устроено

Теплопроводность и конвекция связаны с веществом: частицы передают энергию друг другу, а при конвекции перемещаются целые потоки жидкости или газа. При излучении энергию переносят электромагнитные волны, поэтому перемещение вещества для передачи не требуется. Именно этим объясняется возможность излучения в вакууме: волнам не нужны частицы воздуха, которые передавали бы энергию дальше.

Внутренняя энергия тела связана с движением и взаимодействием его частиц. Часть этой энергии тело может испускать в виде теплового излучения, поэтому после отдачи энергии оно способно охлаждаться. Чем сильнее тело нагрето, тем заметнее может быть его излучение, однако излучают не только раскалённые предметы. Даже тело, которое мы называем холодным, испускает энергию, хотя мы обычно этого не замечаем.

Солнечная энергия достигает Земли, проходя через пространство, где почти нет вещества. Если бы для передачи тепла требовались соприкасающиеся частицы или перемещающиеся потоки газа, энергия не могла бы пройти через такой вакуум. Электромагнитные волны распространяются без материальной среды, а после поглощения земной поверхностью их энергия превращается во внутреннюю. Поэтому поверхность планеты нагревается под действием солнечного излучения.

Когда излучение падает на поверхность, его энергия может поглотиться или отразиться. Соотношение этих частей зависит, в частности, от цвета и характера поверхности: тёмные матовые поверхности обычно поглощают больше, а светлые и блестящие — отражают больше. Поглощённая энергия передаётся частицам тела и может повысить его температуру. Отражённая же энергия меняет направление и не становится внутренней энергией этого тела.

Тело не только получает энергию извне, но и само испускает излучение. Поэтому его температура меняется в зависимости от баланса: если поглощается больше энергии, чем уходит, тело нагревается; если уходит больше, оно охлаждается. При равенстве полученной и отданной энергии температура может не меняться. Значит, одного наблюдения за падающим излучением недостаточно, чтобы определить, будет ли тело нагреваться.

Сравнение способов теплопередачи

Чтобы определить способ теплопередачи, проследи, что именно переносит энергию: взаимодействие частиц, движущаяся жидкость или газ либо электромагнитные волны. Затем проверь, нужна ли материальная среда и перемещается ли вещество. Для излучения решающая подсказка — возможность передачи энергии через вакуум.

Разбор задач

Почему Земля получает энергию от Солнца, хотя между ними почти вакуум?

Нужно выяснить, какой способ передачи энергии не требует вещества. Теплопроводность и конвекция здесь не подходят: для них необходима материальная среда, а между Солнцем и Землёй почти вакуум. Следовательно, энергию переносит излучение, которое может распространяться в пустом пространстве.

1. Устанавливаем условие: прямого соприкосновения Солнца и Земли нет, а пространство между ними почти пустое.
2. Вспоминаем свойства способов теплопередачи: теплопроводность и конвекция требуют вещества, а излучение — нет.
3. Выбираем излучение как способ передачи солнечной энергии через вакуум.
4. Делаем вывод: Земля поглощает часть дошедшего до неё излучения, поэтому её поверхность получает энергию.

Ответ: энергия Солнца достигает Земли электромагнитными волнами, которым не нужна материальная среда. После поглощения излучения поверхность Земли нагревается.

Какой сосуд с водой нагреется сильнее на солнце?

Сравниваем два одинаковых сосуда, поэтому считаем, что условия опыта, количество воды и время освещения одинаковы. Отличается поверхность: один сосуд матовый чёрный, другой — блестящий светлый. Значит, нужно сравнить не передачу тепла через сосуд, а поглощение падающего солнечного излучения.

1. Солнечное излучение падает на оба сосуда и может частично поглощаться, а частично отражаться.
2. Матовая чёрная поверхность обычно поглощает большую долю излучения, чем блестящая светлая.
3. Поглощённая энергия превращается во внутреннюю энергию сосуда и передаётся воде, вызывая её нагревание.
4. При одинаковых условиях чёрный сосуд получает больше энергии от излучения и потому должен нагреть воду сильнее.

Ответ: сильнее нагреется вода в матовом чёрном сосуде, потому что такая поверхность обычно лучше поглощает солнечное излучение. Светлая блестящая поверхность большую его часть отражает.

Как сравнить отдачу энергии излучением у двух нагретых предметов?

В задаче сказано, что предметы одинаковы, но различаются поверхностями: один тёмный матовый, другой светлый блестящий. Чтобы сравнение было справедливым, нужно начать опыт при одинаковой температуре и поместить предметы в одинаковые условия. Иначе разницу в охлаждении нельзя будет уверенно связать только со свойствами поверхностей.

1. Проверяем, что размеры и материал предметов одинаковы, а начальные температуры примерно равны.
2. Оставляем их в одном окружении на одинаковое время, исключив неодинаковое внешнее нагревание.
3. Учитываем, что при равных условиях тёмные матовые поверхности обычно лучше испускают и поглощают излучение, чем светлые блестящие.
4. Сравниваем изменение температуры или количество отданной энергии: при прочих равных тёмный матовый предмет обычно отдаёт излучением больше.

Ответ: при одинаковых температуре и условиях тёмный матовый предмет обычно отдаёт излучением больше энергии. Если условия опыта различаются, например один предмет теплее или сильнее обдувается, вывод по одной только поверхности делать нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для передачи энергии обязательно нужен воздух или другое вещество. Так думают, потому что многие знакомые примеры теплопередачи связаны с предметами, воздухом или водой. Но электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. Проверь себя вопросом: как тогда энергия Солнца достигает Земли?

Ошибка: называть излучение переносом вещества. При конвекции действительно перемещаются потоки жидкости или газа, и это может сбивать с толку. При излучении переносится энергия, а не вещество. Чтобы проверить ответ, спроси себя, нужно ли частицам перемещаться от источника к телу; для излучения это не требуется.

Ошибка: утверждать, что излучают только горячие тела. Видимое свечение часто связывают с высокой температурой, поэтому невидимое излучение легко упустить из виду. На самом деле тепловое излучение испускают все тела, хотя его интенсивность различается. Проверь себя: холодное тело тоже обладает внутренней энергией, значит, оно может испускать излучение.

Ошибка: считать, что светлая поверхность совсем не поглощает излучение. Светлые поверхности обычно отражают большую долю падающего излучения, но не всё его количество. Часть энергии всё же может поглотиться и нагреть тело. Чтобы проверить рассуждение, замени слово «совсем» на «обычно меньше» и помни, что поглощение зависит от поверхности.

Связь с другими темами

Для понимания излучения нужно знать, что внутренняя энергия тела меняется при теплопередаче, и уметь отличать теплопроводность от конвекции. Тогда можно сравнить три способа передачи энергии и увидеть, почему только излучение возможно в вакууме. Эти знания пригодятся при объяснении нагревания Земли Солнцем и работы теплоизоляционных устройств. В частности, отражающие поверхности помогают уменьшать передачу энергии излучением.

Что запомнить

• Излучение — один из способов теплопередачи.
• При излучении энергия переносится электромагнитными волнами.
• Для передачи энергии излучением материальная среда не требуется.
• Все тела испускают тепловое излучение.
• Поглощённое излучение может нагревать тело.
• Тёмные матовые поверхности обычно лучше поглощают излучение, чем светлые блестящие.