Методы наблюдения интерференции света Поляризация света Характеристики теплового излучения Применение фотоэффекта Современная физика атомов и молекул Ядерные реакции Квантовые усилители и генераторы

Курс лекций по физике

Задачи по теме "Основы термодинамики" охватывают такие важные соотношения и понятия, как первое начало термодинамики, внутренняя энергия, работа при различных изопроцессах и адиабатном процессе. Включены также задачи, которые позволяют изучить и понять такие вопросы, как второе начало термодинамики и энтропия идеального газа, являющаяся в отличие от количества теплоты функцией состояния. В работе представлены задачи на определение КПД цикла Карно, изменение энтропии, на уравнение Ван-дер-Ваальса, которое объясняет отличие свойств реальных газов от идеальных.

Характеристики теплового излучения

 Электромагнитные волны, испускаемые атомами, которые возбуждаются за счет теплового движения, представляют собой тепловое излучение. Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются как короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, так и длинноволновое излучение (инфракрасное), при низких — преимущественно длинные волны (инфракрасные).

Тепловое излучение — практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой (рис.37.2). С течением времени, в результате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать.

Рис. 37.2. К объяснению равновесного излучения.

Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), тo температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где , — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n + dn.

Единица спектральной плотности энергетической светимости (Rn,T) — джоуль на метр в квадрате (Дж/м2).

Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:

= Rn,T×dn = Rl,T×dl.

Так как c = l×n, то

 

где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин (n или l) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,

  (37.5)

С помощью формулы (37.5) можно перейти от Rn,T к Rl,T, и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интегральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют просто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам:

 (37.6)

Важную роль в процессах поглощения и излучения энергии играет и рассмотренная уже способность тел поглощать падающее на них излучение, которая характеризуется спектральной поглощательной способностью, показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от n до n + dn., поглощается телом. Спектральная поглощательная способность — величина безразмерная.

Спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (аlº 1). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

 Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием О, внутренняя поверхность которой зачернена (рис.37.3). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0,1 диаметра полости, падающее излучение всех частот полностью поглощается. Вследствие этого днем открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Рис. 37.3. Модель абсолютно черного тела.

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

Закон Кирхгофа

Кирхгоф, опираясь на второй закон термодинамики и анализируя условия равновесного излучения в изолированной системе тел, установил количественную связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектральной поглощательной способностью тел. Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности есть величина постоянная, оно не зависит от природы тела и является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры (закон Кирхгофа):

  (37.7)

Таким образом, универсальная функция Кирхгофа rl,T есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела. Следовательно, согласно закону Кирхгофа, для всех тел отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной поглощательной способности равно спектральной плотности энергетической светимости черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости любого реального тела в любой области спектра всегда меньше спектральной плотности энергетической светимости черного тела (при тех же значениях Т и v), так как аl,Т < 1 и поэтому Rl,T<rl,T. Кроме того, из (37.7) вытекает, что если тело при данной температуре T не поглощает электромагнитные волны в интервале частот от v до v+dv, то оно их в этом интервале частот при температуре T и не излучает, так как при аl,Т =0 Rl,Т = 0.

Используя закон Кирхгофа, выражение для энергетической светимости тела (37.3) можно записать в виде

 

Для серого тела

  (37.8)

где

 

- энергетическая светимость абсолютно черного тела, зависящая только от температуры.

Дисперсия света называется зависимость показателя преломления п вещества от частоты n (длины волны l) света или зависимость фазовой скорости v световых волн от его частоты n.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Излучение и поглощение энергии. Если на какое-либо тело падает поток излучения Фо, то часть потока Фотр<Фо отражается от поверхности тела обратно: от матовой поверхности – диффузно во все стороны, от гладкой поверхности – зеркально. При не слишком большой толщине слоя часть падающего излучения пройдет насквозь и за телом будет наблюдаться поток излучения Фпрох<Фо. Наконец, часть потока, проникающего в тело, будет поглощаться и превращаться в другие формы энергии, в конечном счете – в тепло

 Следствия закона Кирхгофа Всякое тело наиболее энергично излучает то, что оно наиболее интенсивно поглощает. Абсолютно черное тело является наиболее эффективным излучателем при всех длинах волн и всех температурах.

Квантовые явления Свойства фотонов. Масса и импульс фотона. Давление света До сих пор при объяснении квантовых оптических явлений мы использовали только одну характеристику фотона - его энергию e = hn. Помимо энергии, фотон обладает также массой и импульсом (количеством движения).

Физика - наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей. Главная цель этой науки - выявить и объяснить законы природы, которыми определяются все физические явления. Физика основывается на экспериментально установленных фактах. Занимая центральное место среди других наук в объяснении законов природы, физика играет первостепенное значение в формировании научного материалистического мировоззрения.
Гелий-неоновый лазер