Термодинамика теплового излучения

Термодинамика теплового излучения [c.389]

Но это еще не все из того, что мы можем сказать о теплоте. Кроме материи (вещества), существуют поля. Классическая физика установила, что электромагнитное излучение — физический процесс, при котором происходит перенос энергии и импульса. Когда частица приобретает или теряет энергию, частично она превращается в энергию поля. Примером может служить энергия электромагнитного излучения. Взаимодействие между веществом и излучением приводит к состоянию теплового равновесия, в которо.м температура тела связана с излучением. Излучение в тепловом равновесии с веществом называется тепловым излучением . Термодинамика теплового излучения подробно обсуждается в гл. 11. [c.46]

Перенос тепла излучением и оптическая термометрия тесно связаны, поскольку в обоих случаях необходимо иметь соотношение между термодинамической температурой и количеством и качеством тепловой энергии, излученной поверхностью. В конце 19 в. на основе только классической термодинамики и электромагнитной теории были получены два важных результата. Первый — закон Стефана (1879 г.), согласно которому плотность энергии внутри полости пропорциональна четвертой степени температуры стенок полости. Второй —закон смещения Вина (1893 г.), который устанавливал, что, когда температура черного тела увеличивается, длина волны максимума излучения Хт уменьшается, так что произведение ХтТ сохраняется постоянным. Доказательство закона Стефана основано на трактовке теплового излучения как рабочей жидкости в тепловой машине, имеющей в качестве поршня подвижное зеркало, и использовании электромагнитной теории Максвелла, чтобы показать, что действующее на поверхность давление изотропного излучения пропорционально плотности энергии. Закон Вина вытекает из рассмотрения эффекта Доплера, возникающего при движении зеркала. В обоих законах появляется постоянный коэффициент пропорциональности, относительно которого классическая термодинамика не могла дать информации. [c.312]

Таким образом, равновесное излучение всегда имеет характер теплового излучения, причем такое равновесие между излучением и веществом может иметь место для любого тела (твердого, жидкого, газообразного). Это тепловое, или равновесное, излучение подчиняется определенным общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики, в силу которых установившееся тепловое равновесие изолированной системы не может нарушиться вследствие излучения какими-либо частями данной системы или вследствие каких-либо других тепловых обменов. Тепловое излучение иногда называют температурным. [c.684]

Закон Кирхгофа базируется на втором законе термодинамики и является одним из основных законов теории теплового излучения. [c.410]

Изложены законы термодинамики и их приложение к анализу круговых процессов и циклов тепловых двигателей и холодильных установок. Рассмотрены задачи теплопроводности, конвективного теплообмена и теплового излучения, а также основы расчета теплообменных аппаратов. [c.2]

ЗАКОНЫ РАВНОВЕСНОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (Термодинамика излучения) [c.227]

Дальнейшие измерения полностью подтвердили эту закономерность. Точное значение постоянной закона Стефана — Больцмана а о = 5,672-10 е7 г/ж2°К или приближенно ао = 5,7-10. Пользуясь законом Стефана — Больцмана, справедливым для условий равновесного теплового излучения и вытекающим из приложения законов термодинамики к лучистой энергии, можно ввести понятие о лучистой температуре. Это важное понятие было введено Б. Б. Голицыным (1893 г.). [c.392]

В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, т. е. подводом теплоты, излучение называется тепловым или температурным. Среди различных видов свечения оно занимает особое место. В противоположность всем видам люминесценции это единственный вид излучения, который может находиться в состоянии термодинамического равновесия с телами. Поэтому физика теплового излучения представляет собой связующее звено между термодинамикой и оптикой. Объединение статистической механики и электромагнитной теории в проблеме теплового, излучения разорвало рамки классической физики и дало начало одной из величайших революций в физике. [c.418]

Вторая задача — о тепловом излучении во внешнее пространство с учетом ангармонизма — формально относится к неравновесной термодинамике и до сих пор, по-видимому, не привлекала внимания. Ясно, что при общей постановке она является чрезвычайно сложной, и мы здесь ограничимся выяснением лишь основных и доступных непосредственному наблюдению закономерностей с помощью простых моделей. [c.150]

В проблемах теплового излучения особо важное значение имеет понятие так называемого равновесного излучения. Для установления этого понятия рассмотрим полость с неподвижными и непрозрачными стенками, температура которых поддерживается постоянной. Атомы и молекулы стенок переходят в возбужденные состояния за счет энергии теплового движения и при обратных переходах в невозбужденные состояния дают излучение, заполняющее полость. Падая на стенки полости, лучистая энергия частично отражается, частично поглощается. Происходит изменение направления распространения, спектрального состава, поляризации, интенсивности излучения. В результате всех этих процессов, как это следует из общего начала термодинамики, в полости в конце концов устанавливается макроскопически вполне определенное состояние излучения, при котором за каждый промежуток времени количество излученной лучистой энергии определенного цвета, направления распространения и поляризации в среднем равно количеству поглощенной энергии того же цвета, направления распространения и поляризации. Как и всякое равновесное состояние, оно характеризуется тем, что каждому микропроцессу, происходящему в системе, с той же вероятностью соответствует микропроцесс, идущий в обратном направлении (принцип детального равновесия). Благодаря этому состояние излучения в полости и остается макроскопически неизменным во времени. Переход в равновесное состояние, как и всякий статистический процесс, управляется вероятностными законами. В полости устанавливается хаотическое состояние излучения, которому соответствует наибольшая вероятность. Оно и называется равновесным излучением. [c.675]

Вывод Больцмана и все последующие работы по теории теплового излучения существенно используют результаты Максвелла, предсказавшего и рассчитавшего давление света (см. т. И, 61 т. И1, 145, а также задачу 2 к 84 этого тома). Для изотропного излучения это давление равно аР = VgM, где и — интегральная плотность лучистой энергии. К такому выражению должна приводить всякая релятивистская теория света, независимо от того, является ли она корпускулярной или волновой. До теории относительности этот результат, разумеется, не был известен, а результаты Максвелла не считались общепризнанными. В частности, согласно нерелятивистской корпускулярной теории должно было бы быть = Vgu, как это предсказывает кинетическая теория газов (см. т. И, 59). Поэтому опыты П. Н. Лебедева, впервые измерившего в 1900 г. световое давление, подтвердившие результаты Максвелла, имели основополагающее значение для всей термодинамики лучистой энергии. [c.685]

Результатами, изложенными в предыдущих параграфах, исчерпывается все, что могла дать феноменологическая термодинамика в проблеме теплового излучения. Ее оказалось недостаточно для решения основной - проблемы теории теплового излучения определения функции Ыщ (ю, Т) или функции /(о(сй, Т), связанной с ней соотношением (112.6). Для этого оказалось необходимым привлечь статистические методы и учесть квантовые свойства вещества и излучения. Первая попытка теоретического решения указанной проблемы была предпринята в 1887 г. В. А. Михельсоном (1860— 1927). В то время, как показало последующее развитие физики, правильное решение рассматриваемой проблемы было, конечно, невозможно. Заслуга Михельсона состоит в том, что он привлек внимание физиков к одной из важнейших проблем, решение которой положило начало квантовой физики. [c.692]

Первое и второе начала термодинамики для равновесного теплового излучения (законы Стефана—Больцмана и Кирхгофа). Следуя второй особенности феноменологического метода, воспользуемся основными началами термодинамики для определения связи между полусферической плотностью собственного интегрального лучистого потока соб температурой Т и физическими свойствами каждого из тел, участвующих в лучистом теплообмене. [c.329]

Эта формула следует из чисто механических соображений о силе, создаваемой излучением при отражении от стенки. Первоначально формула (11.2.1) была выведена в рамках классической электродинамики, но проще это сделать, основываясь на физическом представлении об излучении как о фотонном газе (разд. Д.11.1). Покажем, что в сочетании с уравнениями термодинамики уравнение состояния (11.2.1) приводит к следующему выводу плотность энергии и р), следовательно, и 1 у), пропорциональна четвертой степени температуры. Этот результат был получен Йозефом Стефаном (1835-1893) и Людвигом Больцманом (1844-1906) и называется законом Стефана—Больцмана. Поскольку плотность Энергии теплового излучения и Т) — и и,Т)(1и — функция только температуры и не зависит от объема, то в объеме V полная энергия равна [c.283]

Излучение, заполняющее Вселенную, в настоящее время имеет температуру около 2,8 К. Эффект, производимый расширением Вселенной на заполняющее ее излучение, может быть приближенно описан адиабатическим процессом. (В ходе эволюции Вселенной ее полная энтропия непостоянна. Необратимые процессы порождают энтропию, но обусловленное необратимыми процессами увеличение энтропии излучения мало.) Используя соотношение (11.3.6) и текущее значение Т, можно вычислить температуру в тот момент, когда объем Вселенной составлял лишь небольшую долю ее современного объема. Таким образом, термодинамика позволяет установить соотношение между объемом Вселенной и температурой заполняющего ее теплового излучения. [c.286]

Все попытки, предпринимавшиеся в рамках классической термодинамики, получить зависимость и 1/, Т) для теплового излучения давали результаты, которые не согласовывались с экспериментом во всем диапазоне частот г/ от О до 00. Теперь известно, что для решения этой проблемы Планк ввел в 1901 г. гипотезу квантов. [c.287]

Этот метод тепловой защиты использует способность нагретой поверхности излучать тепло. Поступающий к поверхности конвективный или радиационный тепловой поток повышает ее температуру. На основании второго закона термодинамики можно показать, что существует предельное количество энергии, которое может излучаться телом при данной температуре и при данной длине волны. Источник такого излучения называется абсолютно черным телом. Плотность потока излучения абсолютно черного тела определяется законом Планка [c.18]

Тела находятся в тепловом контакте, если теплопроводностью или излучением лля них обеспечена возможность теплообмена, причем вещество, входящее в состав одного тела, не может проникнуть внутрь другого (И. П, Базаров. Термодинамика. М., 1961, стр. 17). [c.32]

Если в системе установилось состояние теплового равновесия, то из второго закона термодинамики следует, что излучение в полости не может нарушить температурного равновесия между двумя частями тела. [c.126]

Можно показать, что спектральные распределения энергии pv, а следовательно, и /у являются универсальными функциями, которые не зависят ни от материала стенок, ни от формы полости, а определяются лишь частотой v и температурой полости Т. Это свойство величины pv можно доказать с помощью простого термодинамического рассуждения. Предположим, что имеются две полости произвольной формы, стенки которых поддерживаются при одной и той же температуре Т. Чтобы быть уверенными в том, что температура сохраняется постоянной, можно представить себе, что стенки обеих полостей находятся в тепловом контакте с двумя термостатами при температуре Т. Предположим, что для данной частоты v спектральная плотность энергии р в первой полости больше, чем соответствующая величина р" во второй полости. Соединим теперь оптически обе полости, сделав в каждой из них отверстие и спроецировав при помощи подходящей оптической системы одно отверстие на другое. Кроме того, установим в оптической системе идеальный фильтр, который пропускает излучение лишь в небольшом частотном интервале вблизи частоты v. Если р > р", то / > /" и возникает поток электромагнитной энергии из первой полости во вторую. Однако этот поток энергии противоречит второму закону термодинамики, поскольку обе полости находятся при [c.26]

Напоминаем читателю, что формула (8.35) была получена применением к равновесному тепловому излучению законов термодинамики и теоремы Больцмана о равнораспределении энергии по степеням свободы. Очевидно, что полученные соотнопшния удовлетворяют термодинамической формуле Вина (8.6). Для [c.422]

В первой части пособия излагаются основные понятия и законы термодинамики, термодинамические свойства рабочих тел, анализ термодинамических процессов и циклов. Рассматриваются циклы тепловых двигателей и холодильных машин, приводится эксерготический анализ эффективности тепломеханических систем. Во второй части описываются явления теплопроводности, конвективного теплообмена и теплового излучения, даются основы теплового расчета теплообменных аппаратов. Изложение математической теории теплообмена и теории подобия в начале второй части пособия позволило обеспечить единый подход к рассмотрению задач теплопроводности и конвективного теплообмена и избежать повторений. [c.6]

Следующий решающий шаг был сделан Хокингом в 1974, Казалось очевидным, что из предположения о конечности энтропии Ч. д. следует, что она должна испускать тепловое излучение. В этом случае первый закон механики Ч. д. становится законом термодинамики. Для невращающейся незаряж. Ч. д. он имеет вид dM—TdS, и из (4) немедленно следует ф-ла для тсмп-ры Ч. д., излучающей как абсолютно чёрное тело [c.456]

Важные исследования по лучистой энергии были проведены в 80-х годах прошлого столетия известным русским физиком В. А. Михел ьсоном, который показал, что все законы, касающиеся теплового излучения, исходят в конечном счете иа второго закона термодинамики. Его работа Опыт теоретического объяс- [c.7]

Существование упомянутой связи между тепловым излучением и поглощением следует из общих принципов термодинамики. Так как испускательная и поглощательная способности характеризуют само тело и не зависят от окружения, то для нахождения связи между ними можно рассмотреть частный случай, когда тело окружено равновесным излучением с той же температурой, например заключено в полость, стенки которой либо идеально отражают излучение, либо поддерживаются при той же температуре, что и тело. Выразим поток Ф, этого излучения в единичном спектральном интервале вблизи частоты со, падающий на единичную площадку поверхности тела, через спектральную плотность равновесного излучения. Так как оно изотропно, то в пределах телесного угла (1й=51п6(16(1ф распространяется энергия, составляющая di2/(4л) часть от всей энергии. Если выбранное направление образует угол 6 с нормалью к поверхности, то поток (1Фш, падающий в пределах на единицу площади, равен с6 шсо50(1й/(4л). Для нахождения потока со всех направлений это выражение нужно проинтегрировать по ф в пределах от О до 2л и по 6 в пределах от О до л/2 [c.421]

Какие эксперименты наиболее прямо говорят о когерентности указанных колебаний Прежде всего — это синхронизация частоты зтнх колебаний (синхронность сохранялась после прекращения внешнего облучения) п выявление накопленных эффектов-следствий генерации КВЧ-колебаний (например, эффектов, связанных с построением подструктур). Генераторы шумовых колебаний — источники теплового излучения — так засинхронизировать нельзя (это противоречило бы второму закону термодинамики), а эффекты, связанные с этими колебаниями (кроме нестационарных тепловых) нельзя накопить. [c.45]

Развитие статистической термодинамики было стимулировано двумя работами, появившимися в первые годы нашего века. В 1901 г. в Берлине Планк [2] опубликовал историческую по своему значению статью о распределении энергии теплового излучения— излучения, испускаемого нагретым телом. Из этой работы возникла теория квантов и из нее — квантовая механика. В том же году в Ньюхэвене Гиббс [3] написал необычайно важное, трудное и законченное исследование. Лоренц, известный физик-теоретик, сказал о названии этого труда, что упомянутые в нем слова элементарные принципы свидетельствуют скорее о скромности автора, чем о простоте предмета. [c.11]

Следует заметить, что нельзя провести резкую границу между явлениями, подчиняющимися феноменологической термодинамике, и флуктуационными явлениями . Так, например, тепловое излучение мы рассматривали в 25 и 26 с точки зрения феноменологической термодинамики. При этом состояние этого излучепия мы характеризовали так, как это делается в оптике,— его интенсивностью или его энергией. Выведенные в 25 и 26 законы Кирхгофа и Стефана — Больцмана, а также упомянутая там формула Планка относятся, в свете сказанного в настоящем параграфе, к средним значениям интенсивности и энергии излучения. Однако в любой физической системе присутствует излучение, другими словами, электромагнитное поле не только оптических частот, но и более низких радиочастот. В области радиочастот наличие этого излучения проявляется в явлениях, называемых обычно тепловыми флуктуациями тока и тепловьпги шумовыми (или флуктуационными) электродвижущими силами . Эти явления обычно рассматриваются как явления флуктуацион-ные, и при их теоретическом разборе применяются методы статистической физики. Это объясняется не разной природой явлений в оптическом диапазоне частот, с одной стороны, и радиодиапазоне — с другой, а только тем, что в этих двух диапазонах пас интересуют разные физические величины. [c.112]

Совокупность процессов испускания, переноса, поглощения, отражения и пропускания теплового излучения называют лучистым теплообменом. Лучистый теплообмен может протекать и между телами с одинаковой температурой. Однако результирующий перенос тепла от тела к телу в этом случае будет отсутствовать (в силу второго начала термодинамики). Такой процесс лучистого теплообмена называют рав-новесныМу а такое равновесие — динамическим. [c.326]

Становление теплопередачи как самостоятельного научного направлерия произошло только в XIX в когда французские исследователи Ж.Б. Фурье (в 1828 г.) и С. Д. Пуассон (в 1835 г.) создали основы математической теории теплопроводности, И. Стефан (в 1872 г.) открыл экспериментально а Л. Больцман вывел теоретически, исходя из второго закона термодинамики, закон теплового излучения [ 1, с. 5]. [c.7]

В конце XIX в. одной из наиболее известных проблем, решением которой занимались естественники , была частотная зависимость плотности энергии u v,T). Вильгельм Вин (1864-1928) внес важный вклад в решение этой проблемы, предприняв попытку вывести и и,Т). Вин развил метод, который позволил ему проанализировать то, что можно было бы назвать микроскопическими следствиями за.конов термодинамики. Отправной точкой было выбрано адиабатическое сжатие теплового излучения. Такое сжатие оставляет систему в состоянии теплового равновесия, но изменяет температуру так, что вьшолняется соотношение (11.3.6) VT = onst. Моделью служила система с поршнем, для которой на микроскопическом уровне был изучен сдвиг любой частоты к новому значению у , что сопровождалось изменение.м температуры, причем VT = onst. Вину удалось вывести выражение для функции и и,Т) [c.286]

К. 3. и. явл. одним из осн. законов теплового излучения и не распространяется на др. виды излучения. Он установлен нем. физиком Г. Р. Кирхгофом (G. R. Kir hhoft) в 1859 на основании второго начала термодинамики л затем подтверждён экспериментально. Согласно К. 3. и., тело, к-рое, при данной темп-ре лучше поглощает излучение, должно интенсивнее излучать. Напр., при накаливании платиновой пластинки, часть к-рой покрыта платиновой чернью её чёрный конец (поглощат. способ- [c.287]

Рассмотрены первый и второй законы термодинамики с детальным обоснованием понятия энтропии и элементами эксергетнческого анализа, свойства реальных рабочих тел, термодинамика потока, влажный воздух, а также холодильные установки и тепловые насосы. Изложены вопросы теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения. Рассмотрены элементы теории пограничного слоя, современные методы расчета теплообменных аппаратов. [c.2]

Исходя из постулата об односторонности теплообмена, Р.Клаузиус, основываясь на ненаучном представлении о процессах, совершающихся во Вселенной, сформулировал второе начало термодинамики следующим образом Энтропия мира стремится к максимуму . По Клаузиусу, мир представляет замкнутую систему, в которой все время происходят необратимые процессы и в связи с этим возрастание энтропии. Хотя общее количества энергии системы не изменяется, но за счет необратимости процессов энергия деградирует. В итоге все преобразовании заканчиваются превращением любрлх видов энергии в теплоту последняя путем теплообмена и излучения распределяется по всей системе, которая в итоге приобретает повсеместно одинаковую температуру, и, наконец, наступает так называемая тепловая смерть , т. е. полное обесценение энергии и прекращение дальнейшего развития природы. [c.145]

Таким образом, процесс преобразования энергии излучения в люминофоре идет но всем законам термодинамики с деградацией энергии и ростом энтропии. Никакой концентрацией энергии здесь и не пахнет. Нетрудно видеть также, что процесс в люминофоре аналогичен в определенной степени, как указано в [2.10], тому, который протекает в тепловом насосе разница состоит в том, что поток теплоты трансформируется в поток энергии излучения. Из Qo. получается W2, причем коэффициент трансформации lF2/Qo. >l- В качестве приводной высококачественной энергии здесь используется не электроэнергия, а излучение с энергией WПри этом эксергия Е2 потока энергии W2 меньше, чем эксергия Ei [c.214]

ТЕПЛОЕМКОСТЬ (решеточная — теплоемкость, связанная с поглощением теплоты кристаллической решеткой удельная— тепловая характеристика вещества, определяемая отношением теплоемкости тела к его массе электронная — теплоемкость металлов, связанная с поглощением теплоты электронным газом) ТЕПЛООБМЕН (излучением осущесгв-ляется телами вследствие испускания и поглощения ими электромагнитного излучения конвективный происходит в жидкостях, газах или сыпучих средах путем переноса теплоты потоками вещества и его теплопроводности теплопровод-ноетью проходит путем направленного переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящего к выравниванию их температуры) ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ (решеточная осуществляется кристаллической решеткой стационарная характеризуется неизменностью температуры различных частей тела во времени электронная — теплопроводность металлов, осуществляемая электронами проводимости) ТЕПЛОТА (иенарения поглощается жидкостью в процессе ее испарения при данной температуре конденсации выделяется насыщенным паром при его конденсации образования — тепловой эффект химического соединения из простых веществ в их стандартных состояниях плавления поглощается твердым телом в процессе его плавления при данной температуре сгорания — отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к объему или массе сгоревшего топлива удельная — отношение теплоты фазового перехода к массе вещества фазового перехода — теплота, поглощаемая или выделяемая при фазовом переходе первого рода) ТЕРМОДЕСОРБЦИЯ — удаление путем нагревания тела атомов и молекул, адсорбированных поверхностью тела ТЕРМОДИНАМИКА — раздел физики, изучающий свойства макроскопических физических систем на основе анализа превращений без обращения к атомно-молекулярному строению вещества [c.286]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...