ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ТЕРМОГРАФІЇ, ЗАКОНИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Теплове (температурне) випромінювання – це електромагнітне випромінювання тіл, що виникає за рахунок їх внутрішньої енергії (енергії теплового руху атомів та молекул). Теплове випромінювання властиве всім тілам, температура яких вища за абсолютний нуль. Теплове випромінювання тіла людини переважає фізичні поля, що випромінюються ним і можуть бути зареєстровані. Потужність теплового випромінювання з кожного квадратного сантиметра поверхні тіла становить приблизно 10–2 Вт, а загальна потужність випромінювання тіла людини ~100 Вт. Теплове випромінювання тіла людини має неперервний спектр, максимум якого залежить від температури тіла. Із збільшенням температури загальна енергія теплового випромінювання зростає, а максимум зсувається в бік менших довжин хвиль. Ці фактори можуть бути використані в медицині, зокрема, в діагностиці. У здорової людини розподіл температури по різних точках поверхні тіла досить характеристичний. Але запальні процеси, пухлини здатні значно змінювати місцеву температуру. Таким чином, реєстрація випромінювання різних ділянок поверхні тіла і визначення їх температури може служити діагностичним методом. Такий метод зветься термографією. Теоретичну основу даного методу становлять закони теплового випромінювання. Введемо основні характеристики теплового випромінювання. Потік випромінювання Ф – середня потужність випромінювання за проміжок часу, який значно перевищує період електромагнітних коливань. Потік Ф вимірюється у ватах (Вт). Потік випромінювання з одиниці площі поверхні тіла називають енергетичною світністю тіла Re: Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, зветься спектральною густиною енергетичної світності rl: Величина спектральної густини енергетичної світності залежить від довжини хвилі. Залежність rl = f (l) називається спектром випромінювання тіла. Зрозуміло, що енергетична світність по всьому спектру дорівнює саме тому Re називають ще й інтегральною енергетичною світністю. Введемо характеристики поглинаючої здатності тіла. Коефіцієнтом поглинання a називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що поглинається тілом (Фпогл), до потоку, що падає на тіло (Фпад): Якщо величина a віднесена до одиничного спектрального інтервалу, то говорять про монохроматичний коефіцієнт поглинання Тіло, для якого монохроматичний коефіцієнт поглинання дорівнює одиниці у всьому спектральному інтервалі і при будь-якій температурі, називається абсолютно чорним, тобто
Моделлю абсолютно чорного тіла може бути порожнина з дуже малим отвором (мал. 8.36). Промінь будь-якої довжини хвилі, що попав всередину такої порожнини, може вийти з неї тільки після багатократних відбивань. При кожному відбиванні від стінок порожнини частина енергії променю поглинається і лише мізерна доля енергії променів, що попали в отвір, зможе вийти назад; тому коефіцієнт поглинання отвору виявиться близьким до одиниці.
На мал. 8.37 відображена залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання довільного тіла від довжини хвилі при даній температурі. При зміні температури характер кривої al = f (l) може суттєво мінятись: довжини хвиль, що поглинаються при одній температурі, можуть пропускатися при іншій температурі і навпаки (див. нижній параграф).
Мал. 8.37. Залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі. Теплове випромінювання підпорядковується таким основним законам: закону Кірхгофа, який виконується для будь-якого тіла, та трьом законам, які виконуються лише для абсолютно чорного тіла – закону випромінювання Планка, закону Стефана-Больцмана і закону зміщення Віна.
|
.
.
(8.22)
.
В теорії теплового випромінювання вводять також поняття сірого тіла. Це тіло, коефіцієнт поглинання якого менше за одиницю і не залежить від довжини хвилі. Тіло людини можна вважати сірим в інфрачервоній частині спектра, оскільки його коефіцієнт поглинання у цьому спектральному діапазоні al» 0.9.
