Введение

Электромагнитное излучение, генерируемое тепловым движением частиц.

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое тепловым движением частиц в веществе. Тепловое излучение распространяется в виде электромагнитной волны как через вещество, так и в вакууме. Когда вещество поглощает тепловое излучение, его температура стремится к повышению. Вся материя с температурой выше абсолютного нуля излучает тепловое излучение. Излучение энергии возникает в результате комбинации электронных, молекулярных и решётчатых колебаний в материале. Кинетическая энергия преобразуется в электромагнетизм из-за ускорения заряда или дипольных колебаний. При комнатной температуре большая часть излучения приходится на инфракрасный (ИК) спектр. Тепловое излучение является одним из основных механизмов теплопередачи, наряду с теплопроводностью и конвекцией. Основным способом передачи тепла от Солнца к Земле является тепловое излучение. Эта энергия частично поглощается и рассеивается в атмосфере, последний процесс является причиной голубого цвета неба. Закон Планка описывает спектр излучения абсолютно чёрного тела и связывает радиационный тепловой поток от тела с его температурой. Закон смещения Вина определяет наиболее вероятную частоту излучаемого излучения, а закон Стефана — Больцмана определяет интенсивность излучения. Тепловое излучение отражает преобразование тепловой энергии в электромагнитную энергию. Тепловая энергия — это кинетическая энергия случайных движений атомов и молекул в веществе. Она присутствует во всей материи с ненулевой температурой. Эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц, то есть протонов и электронов. Кинетические взаимодействия между частицами вещества приводят к ускорению заряда и дипольным колебаниям. Это приводит к электродинамическому возникновению связанных электрических и магнитных полей, в результате чего испускаются фотоны, излучающие энергию от тела. Электромагнитное излучение, включая видимый свет, распространяется в вакууме неограниченно. Характеристики теплового излучения зависят от различных свойств поверхности, от которой оно исходит, включая её температуру и спектральную излучательную способность, выраженную законом Кирхгофа. Согласно анекдоту о тепловом луче Архимеда, считается, что Архимед разработал зеркала для концентрации тепловых лучей, чтобы поджечь атакующие римские корабли во время осады Сиракуз (ок. 213–212 гг. до н.э.), однако источники того времени не подтверждены. Он обнаружил, что одежда тёмного цвета нагревается на солнце сильнее, чем светлого. В одном из экспериментов он разместил на снегу в солнечный день квадратные куски ткани разных цветов. Подождав некоторое время, он измерил, что чёрные куски утонули в снегу глубже всего, что указывало на то, что они нагрелись больше всего и растопили больше всего снега.

Калорическая теория

Антуан Лавуазье полагал, что излучение тепла связано с состоянием поверхности физического тела, а не с материалом, из которого оно состоит. Лавуазье описывал плохой излучатель как вещество с полированной или гладкой поверхностью, поскольку его молекулы расположены в одной плоскости и плотно связаны между собой, создавая поверхностный слой калорической жидкости, который препятствует высвобождению тепла изнутри. В знаменитом эксперименте Марка Августа Пикте 1790 года сообщалось, что термометр зафиксировал более низкую температуру при использовании зеркал для фокусировки "холодовых лучей" от холодного объекта. В 1791 году Пьер Прево, коллега Пикте, ввел понятие радиационного равновесия, согласно которому все объекты одновременно излучают и поглощают тепло. Когда объект холоднее окружающей среды, он поглощает больше тепла, чем излучает, что приводит к повышению его температуры до достижения равновесия. Даже находясь в равновесии, он продолжает излучать тепло, поддерживая баланс между поглощением и излучением.

Теория эфира

Во-первых, более ранняя теория, возникшая из концепции гипотетической среды, называемой эфиром. Эфир, как предполагалось, заполняет все пространства, независимо от того, находятся они в вакууме или нет. Передача света или теплового излучения объяснялась распространением электромагнитных волн в эфире. Телевизионные и радиоволны являются разновидностями электромагнитных волн с определенными длинами волн. Все электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью, следовательно, более короткие длины волн соответствуют более высоким частотам. Поскольку любое тело или жидкость погружены в эфир, и вследствие вибрации молекул, любое тело или жидкость потенциально может генерировать электромагнитную волну. Все тела генерируют и принимают электромагнитные волны, используя для этого свою запасенную энергию. Эта зависимость известна как закон Стефана — Больцмана.

Температура

Общая интенсивность излучения абсолютно черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, что описывается законом Стефана — Больцмана. Кухонная печь, температура которой примерно вдвое выше комнатной по шкале абсолютных температур (600 К против 300 К), излучает в 16 раз больше мощности на единицу площади. Объект, температура которого соответствует температуре нити накаливания лампы накаливания — примерно 3000 К, или в 10 раз выше комнатной температуры, — излучает в 10 000 раз больше энергии на единицу площади. Что касается статистики фотонов, то тепловое излучение подчиняется сверхпуассоновской статистике.

Основные принципы

Тепловое излучение — один из трёх основных механизмов теплопередачи. Оно включает в себя испускание спектра электромагнитного излучения вследствие температуры объекта. Другими механизмами являются конвекция и теплопроводность.

Электромагнитные волны

Тепловое излучение принципиально отличается от теплопроводности и конвекции тем, что для его распространения не требуется среда и, более того, максимальной эффективности оно достигает в вакууме. Тепловое излучение является типом электромагнитного излучения, которое часто моделируется распространением волн. Эти волны обладают стандартными волновыми свойствами – частотой и длиной волны, которые связаны соотношением, где – скорость света в среде.

Облучение

Тепловое облучение – это скорость поступления излучения на единицу площади поверхности. (Это означает, что термин "чёрное тело" не всегда соответствует визуально воспринимаемому цвету объекта). Материалы, не соответствующие принципу "чёрный цвет = высокая излучательная способность/поглощающая способность", скорее всего, будут иметь функциональную спектральную зависимость излучательной и поглощающей способности. Только действительно "серые" системы (с относительной эквивалентной излучательной/поглощающей способностью и отсутствием зависимости от направленной пропускаемости во всех рассматриваемых телах с контрольным объёмом) могут обеспечить разумные оценки установившегося теплового потока с использованием закона Стефана — Больцмана. Столкнуться с этой "идеально вычисляемой" ситуацией практически невозможно (хотя стандартные инженерные методы игнорируют зависимость этих неизвестных переменных и "предполагают" обратное). В оптимистичном сценарии, эти "серые" приближения будут близки к реальным решениям, поскольку большинство отклонений от решений, полученных по закону Стефана — Больцмана, незначительны (особенно в большинстве стандартных лабораторных условиях с контролируемой температурой и давлением).

Отражаемость

Отражаемость отличается от других свойств тем, что носит двунаправленный характер. Иными словами, это свойство зависит как от направления падения излучения, так и от направления отражения. Следовательно, отраженные лучи спектра излучения, падающие на реальную поверхность в заданном направлении, образуют неправильную форму, которую сложно предсказать. На практике часто предполагается, что поверхности отражают либо зеркально, либо диффузно. При зеркальном отражении углы отражения и падения равны. При диффузном отражении излучение отражается одинаково во всех направлениях. Отражение от гладких и полированных поверхностей можно считать зеркальным, а отражение от шероховатых поверхностей приближается к диффузному. Абсолютно черные тела – это идеализированные поверхности, выступающие в роли идеального поглотителя и излучателя. Оно задается законом Планка на единицу длины волны следующим образом: Эта формула математически вытекает из расчета спектрального распределения энергии в квантованном электромагнитном поле, находящемся в полном тепловом равновесии с излучающим телом. Закон Планка показывает, что энергия излучения возрастает с температурой, и объясняет, почему максимум спектра излучения смещается в сторону более коротких длин волн при повышении температуры. Также можно установить, что энергия, излучаемая на более коротких длинах волн, увеличивается с температурой быстрее, чем на более длинных. Уравнение выводится как бесконечная сумма по всем возможным частотам в полусферической области. Энергия каждого фотона умножается на число доступных состояний на данной частоте и на вероятность заполнения каждого из этих состояний.

Закон Стефана-Болцмана

Распределение Планка может быть использовано для определения спектральной излучательной способности черного тела следующим образом. Добавляя это покрытие, мы уменьшаем количество излучения, покидающего окно, тем самым увеличивая количество тепла, сохраняемого внутри окна.

Космический корабль

Блестящие металлические поверхности имеют низкую излучательную способность как в видимом диапазоне длин волн, так и в дальнем инфракрасном диапазоне. Такие поверхности могут использоваться для снижения теплопередачи в обоих направлениях; примером этого является многослойная теплоизоляция, применяемая для изоляции космических аппаратов. Поскольку любое электромагнитное излучение, включая тепловое, переносит не только энергию, но и импульс, тепловое излучение также оказывает очень небольшое воздействие в виде силы на излучающие или поглощающие объекты. Обычно эти силы пренебрежимо малы, но их необходимо учитывать при расчете навигации космических аппаратов. Аномалия "Пионера", когда траектория аппарата незначительно отклонялась от рассчитанной только по гравитации, в конечном итоге была объяснена асимметричным тепловым излучением от космического аппарата. Подобным образом, орбиты астероидов испытывают возмущения, поскольку астероид поглощает солнечное излучение на освещенной стороне, а затем переизлучает энергию под другим углом по мере вращения астероида и удаления теплой поверхности из поля зрения Солнца (эффект ЙОРП).

Наноструктуры

Наноструктуры со спектрально селективными свойствами теплового излучения открывают широкие технологические возможности для генерации и повышения энергоэффективности, например, для радиационного охлаждения фотоэлектрических элементов и зданий в дневное время. Для этих применений требуется высокая излучательная способность в частотном диапазоне, соответствующем окну прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 8 до 13 микрон. Селективный излучатель, эффективно излучающий в этом диапазоне, подвергается воздействию чистого неба, что позволяет использовать открытое космическое пространство в качестве теплоотвода с очень низкой температурой.

Регулирование температуры метаболизма

В практических условиях комнатной температуры люди теряют значительное количество энергии за счет инфракрасного теплового излучения, в дополнение к потерям энергии при теплопроводности в воздух (усиливаемым конвекцией или другими воздушными потоками, например, сквозняками). Часть потерянной тепловой энергии возвращается за счет поглощения теплового излучения от стен и других окружающих поверхностей. Коэффициент излучения человеческой кожи очень близок к 1.0. Человек с площадью поверхности около 2 м² и температурой около 307 К непрерывно излучает приблизительно 1000 Вт. Если люди находятся в помещении, окруженные поверхностями с температурой 296 К, они получают обратно около 900 Вт от стен, потолка и других окружающих объектов, что приводит к чистому теплопотерям в 100 Вт. Эти оценки сильно зависят от внешних факторов, таких как одежда. Светлые цвета, а также белый и металлические материалы поглощают меньше света и, следовательно, меньше нагреваются. Однако цвет оказывает незначительное влияние на теплообмен между объектом при обычной температуре и его окружением. Это связано с тем, что преобладающие излучаемые длины волн находятся не в видимом спектре, а в инфракрасном диапазоне. Излучательная способность на этих длинах волн в значительной степени не коррелирует с визуальной излучательной способностью (видимыми цветами); в дальнем инфракрасном диапазоне большинство объектов имеют высокую излучательную способность. Таким образом, за исключением солнечного света, цвет одежды мало влияет на ощущение тепла; аналогично, цвет краски дома мало влияет на тепло, если только окрашенная поверхность не освещена солнцем.

Ожоги

Тепловое излучение – это явление, которое может вызвать ожоги кожи и воспламенить горючие материалы. Время до повреждения от воздействия теплового излучения зависит от интенсивности теплового потока. Воздействие и значения теплового потока излучения следующие:

кВт/м2 Эффект 170 Максимальный поток, зафиксированный в отсеке после пробоя изоляции 80 Испытание теплозащитных свойств средств индивидуальной защиты 52 Волокнистая плита воспламеняется через пять секунд 29 Дерево воспламеняется при определенном времени воздействия 20 Типичное начало пробоя изоляции на уровне пола жилого помещения 16 Кожа человека: внезапная боль и волдыри второй степени ожога через 5 секунд 12.5 Дерево выделяет воспламеняющиеся пары при пиролизе 10.4 Кожа человека: боль через 3 секунды, волдыри второй степени ожога через 9 секунд 6.4 Кожа человека: волдыри второй степени ожога через 18 секунд 4.5 Кожа человека: волдыри второй степени ожога через 30 секунд 2.5 Кожа человека: ожоги при длительном воздействии, типичный тепловой поток при тушении пожара 1.4 Солнечный свет, солнечные ожоги возможны в течение 30 минут. Солнечный ожог – это НЕ тепловой ожог. Он вызван повреждением клеток ультрафиолетовым излучением.

Передача тепла излучения в ближнем поле

На расстояниях, сравнимых с длиной волны излучаемой электромагнитной волны или меньше, закон Планка теряет свою точность. Для объектов таких малых размеров и находящихся на близком расстоянии, квантовое туннелирование ЭМ-волн оказывает существенное влияние на интенсивность излучения. Закон теплового излучения Планка был поставлен под сомнение в последние десятилетия благодаря прогнозам и успешным экспериментальным демонстрациям радиационного теплообмена между объектами, разделенными нанозазорами, который значительно отличается от предсказаний закона. Это отклонение особенно выражено (вплоть до нескольких порядков величины), когда излучатель и поглотитель поддерживают поверхностные поляритонные моды, способные взаимодействовать через зазор между холодным и горячим объектами. Однако, для использования преимуществ радиационной теплопередачи в ближнем поле, опосредованной поверхностными поляритонами, необходимо разделять два объекта ультраузкими зазорами порядка микрон или даже нанометров. Это ограничение существенно затрудняет разработку практических устройств. Другой способ модификации спектра теплового излучения объекта – уменьшение размерности самого излучателя. Для достижения необходимой степени локализации фотонов, размеры излучающих объектов должны быть сопоставимы или меньше тепловой длины волны, предсказанной законом Планка. Важно отметить, что спектр излучения тепловых ям, проволок и квантовых точек отклоняется от предсказаний закона Планка не только в ближнем, но и в дальнем поле, что значительно расширяет область их применения.