Толқын ұзындығына тәуелді сәуле шығару және сіңіру заңы
Kirchhoff's law of thermal radiation
Жылу беруде Кирхгоф заңы толқын ұзындығына қарай сәуле шығару мен сіңіруді сипаттайды. Тепе-теңдіктегі денелердің эмиссиясы мен сіңіру қатынасы температураға тәуелді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Толқын ұзындығына қатысты ерекше сәуле шығару және сіңіру заңы
Law of wavelength specific emission and absorption
Жылу беруде Кирхгоффтың жылу сәулелену заңы материалдық дененің термодинамикалық тепе-теңдікте, оның ішінде сәуле алмасу тепе-теңдігіндегі толқын ұзындығына қатысты ерекше сәуле шығару және сіңіру қасиеттерін сипаттайды. Бұл микроскопиялық динамиканың уақыт бойынша қайтымдылығының, яғни микроскопиялық қайтымдылықтың салдарынан туындайтын Онсагердің өзара байланыс заңдарының ерекше жағдайы болып табылады. Т температурасындағы дене электромагниттік энергияны сәулелендіреді. Термодинамикалық тепе-теңдіктегі абсолют қара дене оған түсетін барлық жарықты сіңіреді және T температурасы үшін сәулелену қуатының бірегей заңы бойынша энергияны сәулелендіреді (Штефан-Больцман заңы), бұл заң барлық абсолют қара денелер үшін әмбебап. Кирхгофф заңы былай гластейды:
In heat transfer, Kirchhoff's law of thermal radiation refers to wavelength specific radiative emission and absorption by a material body in thermodynamic equilibrium, including radiative exchange equilibrium. It is a special case of Onsager reciprocal relations as a consequence of the time reversibility of microscopic dynamics, also known as microscopic reversibility. A body at temperature T radiates electromagnetic energy. A perfect black body in thermodynamic equilibrium absorbs all light that strikes it, and radiates energy according to a unique law of radiative emissive power for temperature T (Stefan–Boltzmann law), universal for all perfect black bodies. Kirchhoff's law states that:
Термодинамикалық тепе-теңдікте кез келген толқын ұзындығында жылулық электромагниттік сәуле шығаратын және сіңіретін кез келген материалдан тұратын дене үшін оның сәулелену қуатының өлшемсіз сіңіру коэффициентіне қатынасы тек сәулелену толқын ұзындығы мен температураның әмбебап функциясына тең болады. Бұл әмбебап функция абсолют қара дененің сәулелену қуатын сипаттайды. Мұндағы өлшемсіз сіңіру коэффициенті (немесе сіңіру қабілеті) – бұл термодинамикалық тепе-теңдікте сәулелену және сіңіру кезінде дене жұтып алатын жарықтың (қуаттың) үлесі. Сәл басқаша тұжырымдасақ, белгілі бір температурадағы белгілі бір пішін мен өлшемдегі кез келген опақ дененің сәулелену қуатын өлшемсіз қатынас арқылы сипаттауға болады, бұл қатынас кейде сәулелену қабілеті деп аталады: дененің сәулелену қуатының сол пішін мен өлшемдегі абсолют қара дененің сәулелену қуатына қатынасы. Осы анықтамаға сәйкес, Кирхгофф заңы қарапайым тілмен былай тұжырымдалады:
For a body of any arbitrary material emitting and absorbing thermal electromagnetic radiation at every wavelength in thermodynamic equilibrium, the ratio of its emissive power to its dimensionless coefficient of absorption is equal to a universal function only of radiative wavelength and temperature. That universal function describes the perfect black body emissive power. Here, the dimensionless coefficient of absorption (or the absorptivity) is the fraction of incident light (power) that is absorbed by the body when it is radiating and absorbing in thermodynamic equilibrium. In slightly different terms, the emissive power of an arbitrary opaque body of fixed size and shape at a definite temperature can be described by a dimensionless ratio, sometimes called the emissivity: the ratio of the emissive power of the body to the emissive power of a black body of the same size and shape at the same fixed temperature. With this definition, Kirchhoff's law states, in simpler language:
Термодинамикалық тепе-теңдікте жылу сәулесін шығаратын және сіңіретін кез келген дене үшін сәулелену қабілеті сіңіру қабілетіне тең. Кейбір жағдайларда сәулелену қуаты мен сіңіру қабілетін бұрышқа тәуелді деп анықтауға болады, бұл төменде сипатталған. Термодинамикалық тепе-теңдік шартының болуы қажет, өйткені сәулелену қабілеті мен сіңіру қабілетінің теңдігі дене материалы термодинамикалық тепе-теңдікте болмаған жағдайда көбінесе сақталмайды. Кирхгофф заңының тағы бір салдары бар: сәулелену қабілеті бірден аспайды (өйткені сіңіру қабілеті энергияны сақтау заңына сәйкес бірден аса алмайды), сондықтан тепе-теңдік жағдайында қара денеден артық энергияны термиялық сәулелену арқылы шығару мүмкін емес. Теріс люминесценцияда бұрыш пен толқын ұзындығы бойынша интегралданған сіңіру, материалдың сәулеленуінен асып түседі; алайда мұндай жүйелер сыртқы көзден қуат алады, сондықтан термодинамикалық тепе-теңдікте болмайды.
For an arbitrary body emitting and absorbing thermal radiation in thermodynamic equilibrium, the emissivity is equal to the absorptivity. In some cases, emissive power and absorptivity may be defined to depend on angle, as described below. The condition of thermodynamic equilibrium is necessary in the statement, because the equality of emissivity and absorptivity often does not hold when the material of the body is not in thermodynamic equilibrium. Kirchhoff's law has another corollary: the emissivity cannot exceed one (because the absorptivity cannot, by conservation of energy), so it is not possible to thermally radiate more energy than a black body, at equilibrium. In negative luminescence the angle and wavelength integrated absorption exceeds the material's emission; however, such systems are powered by an external source and are therefore not in thermodynamic equilibrium.
Тарих
Кирхгоф заңы танылмас бұрын, жақсы сіңіретін дене жақсы сәуле шығаратыны, ал нашар сіңіретін дене нашар сәуле шығаратыны тәжірибелік жолмен анықталған. Әрине, жақсы жарық шашыратушы нашар сіңіретін болуы керек. Сондықтан, мысалы, жеңіл авариялық жылулық қаптамалар металл жабынға негізделген: олар сәулелену арқылы аз жылу жоғалтады. Кирхгофтың маңызды жаңалықтары – қара дененің сәуле шығару қабілетін сипаттайтын функцияның жалпылығы мен бірегейлігін түсіну болды. Бірақ ол осы ғаламдық функцияның нақты түрін немесе ерекшеліктерін білмеді. Лорд Рейли мен сэр Джеймс Джинс 1900-1905 жылдары оны классикалық тұрғыдан сипаттауға тырысып, Рейли-Джинс заңына келді. Бұл заң сәйкес келмейтіні анықталды, нәтижесінде ультракөк сәулелік катастрофа туды. Заңның дұрыс түрін Макс Планк 1900 жылы сәулеленудің квантталған шығарылуын қарастыра отырып тапты, бұл заң Планк заңы деп аталады. Осымен кванттық механиканың бастауы салынды.
Before Kirchhoff's law was recognized, it had been experimentally established that a good absorber is a good emitter, and a poor absorber is a poor emitter. Naturally, a good reflector must be a poor absorber. This is why, for example, lightweight emergency thermal blankets are based on reflective metallic coatings: they lose little heat by radiation. Kirchhoff's great insight was to recognize the universality and uniqueness of the function that describes the black body emissive power. But he did not know the precise form or character of that universal function. Attempts were made by Lord Rayleigh and Sir James Jeans 1900–1905 to describe it in classical terms, resulting in Rayleigh–Jeans law. This law turned out to be inconsistent yielding the ultraviolet catastrophe. The correct form of the law was found by Max Planck in 1900, assuming quantized emission of radiation, and is termed Planck's law. This marks the advent of quantum mechanics.
Қара түске жақын материалдар
Бұл бұрыннан мәлім, шам қарасы жабыны денені дерлік қара түске бояйды. Кейбір басқа материалдар белгілі бір толқын ұзындығы диапазондарында қараға жақын болады. Алайда, мұндай материалдар қызығушылық тудыратын өте жоғары температураның барлығына төтеп бере алмайды. Шам қарасынан жақсырақ нәрсе – жасалған көміртек нанотүтікшелерінде кездеседі. Нанокеңістікті материалдар жарық сыну көрсеткішін вакуумға жақын деңгейге жеткізе алады, бір жағдайда орташа шағылысу 0,045% құрайды.
It has long been known that a lamp black coating will make a body nearly black. Some other materials are nearly black in particular wavelength bands. Such materials do not survive all the very high temperatures that are of interest. An improvement on lamp black is found in manufactured carbon nanotubes. Nano porous materials can achieve refractive indices nearly that of vacuum, in one case obtaining average reflectance of 0.045%.
Жалпы сілтемелер
Евгений Лифшиц пен Л. П. Питаевский, Статистикалық физика: 2-бөлім, 3-ші басылым (Эльзевиер, 1980). Ф. Рейф, Статистикалық және термиялық физика негіздері (МакГроу Хилл: Бостон, 1965).
Evgeny Lifshitz and L. P. Pitaevskii, Statistical Physics: Part 2, 3rd edition (Elsevier, 1980). F. Reif, Fundamentals of Statistical and Thermal Physics (McGraw Hill: Boston, 1965).