Тепловое излучение

Добро пожаловать

Тепловое излучение- это электромагнитное излучение, присущее всем телам, имеющим температуру Т > 0 К.

Уильям Гершель
(1738 – 1822)

выдающийся
английский астроном немецкого
происхождения. Известен как
первооткрыватель планеты Уран и
теплового излучения.
Медаль Копли (1781)
 

Открытие инфракрасного излучения произведено в ходе изящного эксперимента: расщепив солнечный свет призмой, Гершель поместил термометр сразу за красной полосой видимого спектра и показал, что температура повышается, а следовательно, на термометр воздействует световое излучение, не доступное человеческому взгляду.

Тепловое излучение возникает за счет энергии колебательного и вращательного движения атомов и молекул вещества.

Процесс идет до восстановления равновесия

Тепловое излучение - единственный вид равновесного излучения. Количество излучаемой и поглощающей телом энергии одинаково.
Если равновесие нарушается, то возникают термодинамические процессы, возвращающие систему в состояние равновесия.

Поток излучения Ф – средняя мощность излучения за время, много большее периода световых колебаний.

[Вт]

2. Энергетическая светимость R - поток излучения,
испускаемый 1м2 поверхности тела.

отношение энергетической светимости узкого участка
спектра dRλ к ширине этого участка dλ.

отношение поглощенного телом потока излучения к
падающему на него потоку.

ɑ характеризует способность тела поглощать энергию.

ɑ ~ от природы вещества, длины волны излучения, температуры, состояния поверхности.

Абсолютно черное тело – тело, для которого коэффициент поглощения ɑ = 1 и не зависит от длины волны излучения.

ɑ

1

ɑ = const

Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

Абсолютно чёрное тело (АЧТ) — физическая абстракция.
Тело поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражает.

В организме человека зрачок глаза описывается моделью АЧТ.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет.

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже.

Среди тел Солнечной системы свойствами АЧТ
в наибольшей степени обладает Солнце.

- тело, для которого коэффициент поглощения меньше 1 и не зависит от длины волны λ излучения.
Коэффициент поглощения α всех реальных тел зависит от λ (их поглощение селективно), поэтому их можно считать серыми лишь в определенных интервалах длин волн , где α приблизительно постоянен.

В видимой области спектра
свойствами серого тела обладают
уголь (α = 0,80 при 125—625 °С),
угольные нити ламп накаливания
(α = 0,526 при 1040—1405 °С),
сажа (α = 0,94—0,96 при
100—200 °С). Платиновая и
висмутовая черни поглощают и
излучают как серое тело в
наиболее широком интервале
λ — от видимого света до
25—30 мкм (α = 0,93—0,99).

Густав Роберт Кирхгоф (нем. Gustav Robert Kirchhoff; 1824 - 1887) 
— один из великих физиков XIX века.

Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его Т.

Йозеф Стефан (1835 – 1893) австрийский
физик и математик. Член Австрийской
академии наук (1865).
Путём измерения теплоотдачи
платиновой проволоки при различных
температурах установил
пропорциональность излучаемой ею
энергии четвертой степени абсолютной
температуры. Используя эту
закономерность, впервые дал достоверную оценку температуры поверхности Солнца — около 6000 градусов.

Лю́двиг Бо́льцман (1844 —1906)
австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук, член-корреспондент Петербургской академии наук и ряда других. Ученик Й. Стефана.
Теоретически обосновал закон,
известный как закон Стефана — Больцмана.

Вильгельм Вин
Выдающийся учёный-физик (Германия)
(1864 - 1928)

Нобелевская премия по физике (1911)

Цветова́я температу́ра
(спектрофотометрическая
или колориметрическая
температура Тс) —
характеристика хода
интенсивности
излучения источника
света как функция длины
волны в оптическом
диапазоне.


Согласно формуле Планка цветовая температура определяется как температура АЧТ, при которой оно испускает излучение с той же цветностью,
что и рассматриваемое излучение.
Применяется в колориметрии, астрофизике (при изучении распределения энергии в спектрах звёзд).

Солнце – наиболее мощный источник теплового излучения, обеспечивающий жизнь на Земле.

Основные характеристики
Среднее расстояние от Земли 1,496×1011 м(8,31 световых минут)
Средний диаметр 1,392×109 м(109 диаметров Земли)
Масса 1,9891×1030 кг(332 946 масс Земли)
Средняя плотность 1409 кг/м³ (равна плотности воды в Мёртвом море.)Ускорение на экваторе 274,0 м/с² (27,94 g)

Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (фотоны необходимы для начальных стадий процесса фотосинтеза), определяет климат.

Зелёный лист растения — источник жизни на Земле благодаря поступлению на Землю энергии Солнца

1 – На границе земной атмосферы
2 – На поверхности Земли

Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок.

Измерять ее с Земли очень трудно, и потому значения, найденные для начала космических исследований, были приблизительными.
Выполнение специальной космической программы позволило найти надежное значение - 1370 Вт/м2
с точностью до 0,5%.

- поток солнечного излучения, приходящийся на 1 м2 площади земной атмосферы.

Путь солнечных лучей в атмосфере меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом. При максимально благоприятных условиях на1м2 поверхности Земли попадает 1120 Вт/м2.

Солнечная энергия постепенно поглощается земной атмосферой. На Землю доходит только 40 % солнечного излучения
(60 % - отражается и уходит обратно в космос).
Наблюдается тенденция к увеличению поглощаемого Землёй солнечного тепла из-за увеличения в атмосфере парниковых газов.

Электромагнитное излучение
подвергается строгому отбору
в земной атмосфере.

Она прозрачна только для
видимого света и ближних
УФ и ИК излучений, а
также для радиоволн.

Поглощение электромагнитного излучения атмосферой Земли.

Принцип действия актинометра
Михельсона основан на
нагревании солнечными лучами
зачернённой сажей
биметаллической пластинки 1,
спрессованной из железа и инвара.

При нагревании железо удлиняется, а инвар почти не испытывает теплового расширения, поэтому пластинка изгибается. Величина изгиба служит мерой интенсивности солнечной радиации. С помощью микроскопа 3 наблюдают перемещение кварцевой нити 2, расположенной на конце пластинки 1.

- прибор для измерения интенсивности электромагнитного излучения (видимого и УФ света. Применяется для измерения прямой солнечной радиации.

Актинометр "ПЕЛЕНГ СФ-12.

Термоэлектрический актинометр
Савинова — Янишевского
При падении на приёмную поверхность солнечных лучей центральные спаи нагреваются, в то время как периферийные затенены; в результате возникает термоэлектрический ток, пропорциональный разности температур центральных и периферийных спаев, которая в свою очередь пропорциональна измеряемому потоку радиации.

1 – тонкий, зачерненный
с наружной стороны серебряный диск;
2 – спаи термоэлементов;
3 – другие спаи.

— электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и КВЧ - излучением (λ ~ 1—2 мм)

ИК - излучение испускают возбуждённые атомы или ионы.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла.

3800 К – 1.5 К

Диапазон ИК - излучения делят на три части:
коротковолновая область: λ = 0,74—2,5 мкм;
средневолновая область: λ = 2,5—50 мкм;
длинноволновая область: λ = 50—2000 мкм;

Наибольший эффект → при воздействии коротковолновым излучением,
близким к видимому диапазону.

Специальные лампы – источники Видимого иИК – излучения ( спектр ламп накаливания содержит ≥85% ИК - лучей ) .

Проникновение в тело на 20 мм => прогрев поверхности => возникает градиент температур (gradT) => активизация деятельности теплорегулирующей системы.

Лампа СОЛЛЮКС(переносная)
(Лампа для проведения местных теплосветовых процедур)

Лампа «Соллюкс» стационарная  предназначена для проведения общих и местных светотепловых процедур в физиотерапевтических кабинетах лечебных учреждений.

Средневолновая область ИК – излучения.

Инфракрасный облучатель «Соллюкс»

Рефлектор состоит из зеркального металлического плафона , соединенного кронштейном с цельной металлической рукояткой.
Внутри зеркального плафона находится
лампа накаливания мощностью 60 Вт со
стеклянной колбой синего цвета, которая и
является источником инфракрасных и
видимых лучей.
Лечебные эффекты инфракрасного
облучения
Противовоспалительный (противоотечный,
ренгенеративно-пролиферативный),
трофический, местный анальгетический,
вазоактивный.



Показания для инфракрасного облучения
Хронические и подострые негнойные воспалительные заболевания внутренних органов, ожоги и отморожения, вялозаживающие раны, язвы, заболевания периферической нервной системы с болевым синдромом (миозиты, невралгия), последствия травм опорно-двигательного аппарата.

Методика: ИК и Вид – 15 - 40’ ежедневно или через день.
Курс – 20-25 процедур.

Часть инфракрасного излучения с максимумом на длине волны около 10 мкм соответствует излучению самого человеческого тела. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает как «своё».

Воздействуя на организм человека в длинноволновой части инфракрасного диапазона, можно получить явление, называемое «резонансным поглощением», при котором внешняя энергия будет активно поглощаться организмом, вызывая при этом улучшение микроциркуляции крови и повышая скорость окислительно-восстановительных процессов, что субъективно ощущается как улучшение самочувствия, снятия чувства усталости и стресса.
Дальнее инфракрасное излучение проникает в организм до 4-5 см, вызывая его максимальный прогрев.

Самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых ИК - лучей - это русская печь.

1) Очищение организма2) Омоложение кожи3) Повышение иммунитета4) Улучшение микроциркуляции крови5) Благоприятное психологическое воздействие6) Улучшение кровообращения7) Тренировка функциональных систем организма8) Восстановление организма

Инфракрасное излучение используют в автомастерских для быстрейшего высушивания лаковых покрытий автомобилей.

В системах безопасности используется ТГц излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров.

В системах безопасности используется ТГц излучение для сканирования багажа и людей. В отличие от рентгеновского, ТГц излучение не наносит вреда организму. С его помощью можно разглядеть спрятанные под одеждой человека металлические, керамические, пластиковые и др. предметы на расстояниях до десятков метров.

электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовым концом видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм ).

Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках существенно различаются:
ДУФ – пигментообразующее действие (лечение псориаза в сочетании с фотосенсибилизирующими препаратами;
СУФ – эритемообразующее и антирахитическое действие;
КУФ – бактерицидное действие.

Показания к применению:
пневмонии,бронхиты, бронхиальная астма, ревматоидный артрит, рожистое воспаление кожи, невриты, радикулиты, инфицированные раны, ожоги, закаливание, профилактика рахита.

УФ источники излучения, как правило, имеют селективный спектр, рассчитанный на достижение максимально возможного эффекта для определенного фотобиологического процесса.

Эритемные лампы (ЛЭЗО, ЛЭР40) были разработаны в 60-х годах прошлого века для компенсации «УФ недостаточности» естественного излучения, интенсификации процесса фотохимического синтеза витамина D3 в коже человека («антирахитное действие»).

Лампа ЛЭ 30 люминесцентная эритемная люминесцентная (люминисцентная), ртутная, низкого давления, терапевтическая, медицинская

Обладая хорошим «антирахитным действием», излучение эритемных ламп с максимумом в диапазоне 305—315 нм оказывает одновременно сильное повреждающее воздействие на коньюктиву (слизистую оболочку глаза).

«Искусственный солярий», в которых используются УФ - источники, вызывающие достаточно быстрое образование загара. В их спектре преобладает «мягкое» излучение в зоне УФА. Доля УФВ строго регламентируется, зависит от вида установок и типа кожи (в Европе различают 4 типа человеческой кожи от «кельтского» до «средиземноморского») и составляет 1-5 % от общего УФ излучения.

Кварцевая лампа "Солнышко" ( мини-солярий)Лампы дают мягкий ультрафиолет, идеальный для загара.

(предназначен для местного лечения горла, уха, носа от воспалений различного рода. Лампа ДРТ-240 в этом "Солнышке" обладает мощным бактерицидным и вируцидным действием, которое помогает организму быстрее справиться с инфекцией)

Кварцевая лампа, используемая для стерилизации в лаборатории

Ультрафиолетовые лампы используются для стерилизации (обеззараживания) воды, воздуха и различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека. В наиболее распространённых лампах низкого давления 86 % излучения приходится на длину волны 254 нм, что хорошо согласуется с пиком кривой бактерицидной эффективности (то есть эффективности поглощения ультрафиолета молекулами ДНК). Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит
к замедлению темпов их
размножения и вымиранию.

Бактерицидные облучатели-рециркуляторы

Весьма рациональное применение найдено УФ лампам, спектр излучения которых совпадает со спектром действия фототаксиса некоторых видов летающих насекомых-вредителей (мух, комаров, моли и т. д.), которые могут являться переносчиками заболеваний и инфекций, приводить к порче продуктов и изделий.

Эти УФ - лампы используются в качестве ламп-аттрактантов в специальных устройствах-светоловушках.

Ртутно-кварцевая лампа
Люминесцентные лампы «дневного света» (имеют небольшую УФ-составляющую из ртутного спектра)

метод регистрации собственного ИК- излучения с поверхности тела человека и определение температуры на его различных участках(с точностью до 0,010С). Начала развитие с 1956 г.

Преимущества метода:
1) Определение функциональной активности органа и
регуляция изменений в начале развития патологий
(за 5-10 лет до структурных изменений).
2) Широкий спектр диагностики ( позвоночник, органы
ЖКТ, ЛОР- органы, сердце, щитовидная железа,
кровоснабжение конечностей и туловища, суставы,
почки и др.)
3) Быстрота обследования.
4) Отсутствие внешних воздействий.
5) Абсолютная неинвазивность и безопасность.

•Бесконтактная методика при дистанционной регистрации излучения

Блок – схема термографа

Излуче-
ние

• Контактная методика с использование жидких кристаллов

На поверхность тела помещаются жидкие кристаллы – индикаторы.
Жидкие кристаллы обладают свойством оптической анизотропии и меняют цвет в зависимости от температуры.

Холодная вода

Лампы

Инфракрасное излучение мяча до и после удара.Во время удара механическая энергия конвертируется во внутреннюю (тепловую) энергию

Горячий чай, термограмма

Спасибо за внимание