Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Законы теплового излучения .Цветовая температура



Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.

Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.

Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.

Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).

Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Возбудителями этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 0С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7÷50 мкм).

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций — квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения — фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, то есть имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы — объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн (от λ до λ+dλ) называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ∞, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q(Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м2)

. (11.1)


Отсюда

.  


Если величина Е одинакова для всех элементов поверхности F, то Q=E·F.

Плотность потока монохроматического излучения носит название спектральной интенсивности излучения Jλ. Она связана с плотностью интегрального излучения уравнением:

или . (11.2)


Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Из всего количества падающей на тело лучистой энергии Eпад (Qпад) часть ее Eпог (Qпог) поглощается, часть Еот (Qот) отражается и часть Eпр (Qпр) проходит сквозь тело. Следовательно,

. (11.3)


Обозначим

, (11.4)


где А — коэффициент поглощения; R — коэффициент отражения, D — коэффициент пропускания. Тогда А+R+D=1.

Если тело поглощает все падающие на него лучи, то есть A=1, R=О, D=0, оно называется абсолютно черным. Если вся падающая на тело энергия отражается, то R=1, А=О, D=0. Если при этом отражение подчиняется законам геометрической оптики, тело называется зеркальным; при диффузном отражении, когда отраженная лучистая энергия рассеивается по всем направлениям, — абсолютно белым. Если D=1, то A=0 и R=0. Такое тело пропускает все падающие на него лучи и называется абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

Участвующее в лучистом теплообмене тело, помимо собственного излучения Е, определяемого свойствами излучающего тела и температурой, отражает падающую на него энергию, т. е.

. (11.5)


Сумма энергии собственного и отражательного излучения составляет эффективное излучение тела

. (11.6)


При расчете лучистого теплообмена между телами большое значение имеет результирующее излучение, представляющее собой разность между лучистым потоком, получаемым телом, и лучистым потоком, который оно испускает в окружающее пространство. Для определения плотности потока результирующего излучения qр полагая коэффициент пропускания тела равным нулю составим уравнение баланса энергии, проходящей через плоскости а—а и b—b, одна из которых расположена внутри, а другая снаружи тела вблизи его поверхности (рис. 11.1). Для плоскости а—а

Рис. 11.1. К составлению уравнения баланса энергии.
; (11.7)

 

для плоскости b—b

. (11.8)

 

Заметим, что величина qр может быть положительной, отрицательной и равной нулю. Определим зависимость между результирующим и эффективным излучением. Из (11.8)

, (11.9)

 

из (11.7)

. (11.10)

 


Подставив выражение для Eпад в уравнение (11.9), получаем

. (11.11)

 


Это уравнение широко используется при расчете лучистого теплообмена между телами.

 

11.2.Законы теплового излучения

Закон Планка устанавливает зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела J от длины волны и температуры:

, (11.12)


где λ — длина волны излучения, м; Т — температура излучающего тела, К; c1=3,74·10-16 Вт·м2; c2=1,44·10-2 м·К; e – основание натуральных логарифмов.

Анализ выражения (11.12) показывает, что при λ=0 и λ=∞ J=0, а при некотором промежуточном значении - имеет максимум. Для всех длин волн интенсивность излучения тем выше, чем выше температура. Максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн.

Закон Стефана — Больцмана. Плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно черного тела можно найти на осно­вании закона Планка как суммарную энергию излучения тела по всем длинам волн

. (11.13)


В результате интегрирования найдём

, (11.14)


где с0=5,67 Вт/(м2·К4) — коэффициент излучения абсолютно черного тела. Индекс «О» указывает на то, что рассматривается излучение абсолютно черного тела. Этот закон опытным путем найден Стефаном и теоретически обоснован Больцманом задолго установления закона Планка.

Спектры излучения реальных тел отличны от спектра излучения абсолютно черного тела. При этом спектральная интенсивность излучения тела на любой длине волны никогда не превышает соответствующую спектральную интенсивность излучения абсолютно черного тела. В случае селективного спектра излучения на некоторых участках длин волн интенсивность излучения равна нулю. Частным случаем реальных тел являются серые тела, спектр излучения которых подобен спектру излучения абсолютно черного тела. Интенсивность излучения для каждой длины волны серого тела Jλ составляет одну и ту же долю интенсивности излучения черного тела J, то есть

. (11.15)


Здесь величина ε — степень черноты тела, зависящая от физических свойств тела, но всегда ε<1. Большинство реальных тел с определенной степенью точности можно считать серыми. Закон Стефана — Больцмана для серого тела с учетом выражения (11.15) имеет вид:

, (11.16)


где с — коэффициент излучения серого тела.

Закон Кирхгофа. Рассмотрим две параллельные поверхности, одна из которых абсолютно черная с температурой Т0, вторая серая с температурой Т и поглощающей способностью A. Расстояние между поверхностями настолько близко, что испускаемые каждой поверхностью лучи обязательно попадают на противоположную. Серая стенка излучает энергию Е и поглощает часть излучаемой черным телом энергии А·E0. Излучаемая серым телом энергия Е и отраженная им энергия (1—А)·E0 попадают на черное тело и поглощаются им.

Результирующее излучение серого тела qр=Е—А·E0. При Т0=Т, qр=0, отсюда

. (11.17)


Итак, отношение излучающей способности серого тела к его поглощающей способности при температурном равновесии не зависит от природы тела и равно энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Этот закон справедлив и для монохроматического излучения:

. (11.18)


Здесь Аλ — поглощающая способность в узком интервале длин волн. Следовательно, тело, излучающее энергию при какой-либо длине волны, способно поглощать ее при этой же длине волны. На основании равенства (11.17) можно записать Е=А·E0. Однако по (11.16) Е=ε·E0. Таким образом, из закона Кирхгофа также следует, что поглощающая способность серого тела численно равна степени его черноты, то есть А=ε.

Закон Ламберта. Определяет изменение энергии излучения по отдельным направлениям. Согласно этому закону, поток излучения абсолютно черного тела в данном направлении, характеризуемый величиной Jφ, пропорционален потоку излучения в направлении нормали к поверхности Jн и косинусу угла между ними, то есть

. (11.19)


ЦВЕТОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА

В светотехнике, цветовая температура - важнейшая характеристика источников света, определяющая цветность ламп и цветовую тональность (теплую, нейтральную или холодную) освещаемого этими источниками пространства. Она примерно равна температуре нагретого тела одинакового по цвету с заданным источником света. Цветовая температура измеряется в градусах по шкале Кельвина (К). В практической светотехнике полезно ассоциировать цветовую температуру, воспроизводимую искусственными источниками света различного типа, с естественными источниками освещения.

Шкала цветовых температур делится на три диапазона:

Теплый белый

1850 - 2000 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - пламя стеариновой свечи. Естественный источник света – утреннее или вечернее сумеречное небо (2000 К). Практика: У тепловых источников излучения, таких как лампы накаливания или низковольтные галогенные лампы, цветовая температура примерно равна фактической температуре нити накаливания.  

2000 – 2700 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - лампы накаливания, натриевые лампы высокого давления (НЛВД). Естественный источник света – небо близ восходящего или заходящего Солнца (2300 – 2400 К) Практика: Уменьшая ток, проходящий через нить лампы накаливания, меняется не только световой поток, но и цветность излучения, которая становится теплее (краснее). Таким образом, диммируя лампу накаливания большой мощности, можно получить более низкие значения цветовой температуры при необходимом/заданном уровне освещенности. Галогенные лампы накаливания (ГЛН) имеют более высокую температуру нити накала, поэтому свет от них воспринимается более холодным.  

2700 - 2800 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - лампы накаливания, галогенные лампы сетевого напряжения, люминесцентные лампы (ЛЛ), компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), светодиоды (СИД / LED). Практика: Люминесцентные лампы, газоразрядные лампы высокого давления и светодиоды воспроизводят различные цветовые температуры, поэтому, разрабатывая проект, необходимо точно указывать значение цветовой температуры применяемого в проекте источника.  

2800 - 3500 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - лампы накаливания, галогенные лампы сетевого напряжения, низковольтные галогенные лампы, ЛЛ, КЛЛ, СИД / LED. Практика: Чувствительность человеческого глаза к восприятию цветовой температуры носит нелинейную зависимость. Разница в 500 К в теплой части диапазона цветовых температур заметнее, чем та же разница в холодной части диапазона, поэтому производители источников света предлагают больший ассортимент цветности ламп в теплом диапазоне.  

3500 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - галогенные лампы сетевого напряжения, низковольтные галогенные лампы, ЛЛ, КЛЛ, металлогалогенные лампы (МГЛ), СИД / LED. Естественный источник света – Солнце через час после восхода/ до захода Практика: Для обеспечения понятной классификации цветности ламп, излучающих белый цвет, принято разделять источники на три группы: теплый белый, нейтральный белый и белый дневной свет.  

Нейтральный белый

4000 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - ЛЛ, КЛЛ, МГЛ, СИД / LED. Естественный источник света – Луна (4125 К) Практика: Диммируя световой поток газоразряных люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, цветность их излучения не изменяется.  

Холодный белый

5000 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - ЛЛ, КЛЛ, МГЛ, СИД / LED. Естественный источник света – утреннее или вечернее Солнце в ясном небе под углом больше 15 градусов над линией горизонта (3600 – 5000 К).  

5500 К

Есточники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - ЛЛ, КЛЛ, МГЛ, СИД / LED. Истественный источник света – Солнце около полудня при легкой облачности (5100 -5600 К).  

6500 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - ЛЛ, КЛЛ, МГЛ, СИД / LED. Еестественный источник света – летнее Солнце в зените в синем ясном небе (6000 - 6500 К).  

7000 К

Источники искусственного освещения, воспроизводящие данную цветовую температуру - МГЛ, СИД / LED. Естественный источник света – дневной свет неба при высокой легкой облачности (6700 -7000 К).  

12000 К

Естественный источник света – дневной свет неба при слабой облачности (12 000 - 14 000 К). Цветовая температура ясного голубого неба составляет 15 000 – 27 000 К.

Что же такое цветовая температура источника света? Ее нельзя связывать с истинной температурой нагрева самого источника света, а связывают с температурой нагрева эталона (идеального излучателя, так называемого абсолютно черного тела).

При нагревании, абсолютно черное тело начинает светиться. Одинаковое визуальное ощущение цветности излучения абсолютно черного тела и сравниваемого источника света достигается при нагревании первого до определенной температуры, которая присваивается источнику света и носит названия цветовой температуры, измеряется Кельвинами.

Фотопленки для искусственного света балансируются под цветовую температуру 3200 К для дневного света – 5500 К. Цветовая температура реальных источников света лежит в диапазоне от 1700 до 30000 К.

Для измерения цветовой температуры служат специальные приборы: цветометры, спектрометры (GOSSEN SIXTYCOLOR, MINOLTA COLOR METER IIIF и др.). У температурных источников света (солнце, лампы накаливания...) цветовая температура зависит главным образом от изменения энергии излучения в синей и красной зонах спектра излучения, желто-зеленая зона остается практически постоянной. На рисунке1 показаны кривые различной цветности излучения абсолютно черного тела, лучистая энергия для желто-зеленого участка спектра (λ = 555 нм) принята за 100%.

Рисунок 1 - Спектральное распределение энергии
в излучении абсолютно черного тела, нагретого
до различных температур

Таким образом, для измерения цветовой температуры источника света со сплошным спектром излучения (температурные источники) можно воспользоваться двухзональным методом. Для этого при помощи любого экспонометра с дополнительными светофильтрами (фото 1) измеряется отношение энергии излучения в двух зонах спектра – синей Wс (400 – 420 нм) и красной Wк (680 – 700 нм) Wс/Wк.Экспонометр за синим светофильтром направляют на источник света и определяют значение диафрагмы при определенной выдержке. Затем, вместо синего, устанавливают красный светофильтр и снова определяют значение диафрагмы при той же выдержке. Цветовая температура определится из таблицы 2.

Таблица 2 – Цветовые температуры, определенные двухзональным методом

Значения диафрагмы объектива за красным светофильтром
  2,8 5,6
2,8
5,6
Значения диафрагмы объектива за синим светофильтром

 

4.Свойства отражающих поверхностей. Коэффициент отражения

Свойство отражения(поглощения)можно описать характеристиками диффузного рассеивания и зеркального отражения

Свойства отраженного света зависят от строения, направления и формы источника света, а также от ориентации и свойств поверхности. Отраженный от объекта свет может быть диффузным или зеркальным. Свойством диффузного отражения, т.е. равномерного по всем направлениями рассеивания света, обладают матовые поверхности. При этом кажется, что поверхности имеют одинаковую яркость независимо от угла обзора. Для таких поверхностей справедлив закон, устанавливающий соответствие между количеством отраженного света и косинусом угла между направлением L на точечный источник света и нормалью к поверхности (рис. 3), т.е. количество отраженного света не зависит от положения наблюдателя, а определяется материалом объекта и длиной волны света. Для представления диффузного отражения от цветных поверхностей расчеты проводятся отдельно для основных составляющих цвета.

Рис. 3.Падающий свет и нормаль к поверхности

Зеркальное отражение происходит от внешней поверхности объекта. Если осветить ярким светом яблоко, то в результате зеркального отражения возникнет световой блик, а свет, отраженный от остальной части яблока, появится вследствие диффузного отражения. При этом в том месте, где находится световой блик, яблоко кажется не красным, а скорее белым, т.е. окрашенным в цвет падающего света. Если изменить положение головы, то сместится и световой блик. Это объясняется тем, что блестящие поверхности неодинаково отражают свет по всем направлениям. От идеально отполированной поверхности свет отражается только в том направлении, для которого углы падения и отражения совпадают. Это означает, что наблюдатель сможет увидеть зеркально отраженный свет только в том случае, если угол α равен нулю (рис. 4). Таким образом, интенсивность зеркального отражения зависит от угла падения, длины волны падающего света и свойств вещества.

Рис. 4.Зеркальное отражение

Поверхности могут обладать не только свойствами зеркального и диффузного отражения, но и свойствами направленного и диффузного пропускания. Направленное пропускание света происходит сквозь прозрачные вещества (например, стекло). Через них обычно хорошо видны предметы, даже, несмотря на то, что лучи света, как правило, преломляются, т.е. отклоняются от первоначального направления. Диффузное пропускание света происходит сквозь просвечивающие материалы (например, замерзшее стекло), в которых поверхностные или внутренние неоднородности приводят к беспорядочному перемешиванию световых лучей. Поэтому когда предмет рассматривается через просвечивающее вещество, его очертания размыты.

Очевидно, что если имеется не один, а несколько источников света, то каждая из перечисленных составляющих от каждого источника суммируется.

Коэффициент отражения

Тот факт, что мы видим тела, связан с тем, что они различным образом отражают, преломляют и поглощают падающий на них свет. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие его тела, то оно будет казаться нам темным. Например, белая бумага отражает свет сильнее, чем серый картон, и кусочек картона на листе бумаги кажется нам темным. Этот же кусочек картона, если его положить на черный бархат (очень слабо отражающее тело), кажется нам светлым. Тело, отражающее свет так же, как и окружающий фон, сливается с этим фоном.

Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете. Рассматривая, например, такой, казалось бы, простой предмет, как граненая стеклянная пробка от графина, мы имеем дело с рядом сложных явлений: свет частично отражается от граней пробки или рассеивается, если ее грани матированы; часть света проходит сквозь пробку, преломляясь на ее поверхности. Если вполне прозрачное тело погрузить в жидкость с тем же показателем преломления, как у данного тела, то оно станет невидимым, так как световые лучи пройдут через него, не изменяя ни своего направления, ни интенсивности. Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Как правило, стремятся избегать поглощения светового потока; иногда, впрочем, бывает необходимо обеспечить темный фон или устранить световые потоки нежелательного направления; при этом прибегают к сильно поглощающим покрытиям (например, чернение некоторых поверхностей внутри оптических приборов). Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения а, равным отношению светового потока Фa, поглощенного телом, к световому потоку Фi, падающему на тело:
(1)
Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения r, показывающим отношение отраженного потока Фr к падающему Фi, т. е.
(2)
Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания t, равный отношению пропущенного телом светового потока Фt к падающему Фi, т. е.
(3)
По закону сохранения энергии имеем

откуда на основании (1), (2) и (3) следует
(4)
Итак, сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна единице. Коэффициенты a, r, t зависят обычно от цвета (длины волны) света.

Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание.

КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ- отвлеченное число, показывающее отношение светового потока, отраженного телом, к световому потоку, падающему на него: ρ=F/F 0 .

Так как в природе не существует таких тел, которые полностью отражали бы весь падающий на них световой поток, и все тела в той или иной мере поглощают свет, коэффициент отражения всегда меньше единицы. Различают коэффициент правильного, или зеркального, отражения, коэффициент диффузного отражения и общий коэффициент отражения.

Особый интерес представляет собой коэффициент правильного отражения от полированных стеклянных поверхностей, например от поверхностей линз или призм.

Коэффициент отражения R от полированной стеклянной поверхности зависит от показателя преломления стекла и от угла падения луча.

Рис. Зависимость коэффициента отражения от угла падения луча на поверхность раздела воздух - стекло

На рис. приведена зависимость коэффициента отражения от угла падения, из которой видно, что для углов до 45-50°, т. е. в пределах того, что имеет место в обычных объективах, коэффициент отражения остается практически постоянным и, следовательно, зависит только от показателя преломления стекла Значение R может быть вычислено по формуле:

где n - показатель преломления стекла.

Если n = 1,5, то коэффициент отражения составляет:

При n =1,7

т. е. коэффициент отражения растет с увеличением показателя преломления. Этим объясняются большие потери света, имеющие место в сложных объективах, изготовленных из тяжелых сортов оптического стекла, если их поверхности не просветлены.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.