Курсовая теория на тему Тепловой спектр

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 5
1.1 Понятие и характеристики теплового излучения 5
1.2 Законы теплового излучения 10
Глава 2. СПЕКТР ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 16
2.1 Понятие, природа и виды спектра теплового излучения 16
2.2 Исследования спектра теплового излучения 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28

Введение:

Актуальность темы. Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тел, обусловленное возбуждением атомов и молекул во время столкновений в процессе их теплового движения. Каждое тело, температура которого выше 0 К является источником теплового излучения.
Примерами теплового излучения есть солнечный свет, пламя свечи, свет лампы накаливания, электрическая дуга, инфракрасное излучение человеческого тела. Тепловое излучение используется в различных источниках света. Поскольку оно очень влияет на тепловой баланс во многих физических системах, например, определяет среднюю температуру поверхности Земли. Теория этого вида излучения важна для физики, поскольку, с одной стороны, тепловое излучение универсально, его природа не связана ни с конкретным материалом, ни даже с устройством атома. С другой стороны, происхождение теплового излучения обусловлено фундаментальной термодинамикой света и вещества, и свойства этого излучения прямо указывают на тот факт, что атомы способны излучать и поглощать свет данной частоты не в любых количествах, а лишь строго определенными дискретными порциями (квантами).
Характерной чертой теплового излучения является широкий сплошной спектр. Он представляет собой яркую радужную полосу и содержит красный, желтый, зеленый, голубой цвета, переходы между которыми непрерывны. С помощью термопары, которую экспериментатор перемещает вдоль радужной полоски, и стрелочного прибора можно измерить распределение энергии излучения по спектру. Такие измерения показывают, что в пределах видимой части спектра интенсивность излучения монотонно возрастает по мере увеличения длины световой волны, максимум интенсивности излучения дуги лежит в инфракрасной области спектра. При помощи теплового спектра можно исследовать практически все от физических особенностей веществ до космоса (звезд, других тел). Все это и определяет актуальность и тему курсовой работы: «Тепловой спектр».
Цель работы заключается в рассмотрении особенностей теплового спектра, как важной характеристики теплового излучения.
Достижение цели будет предполагать решение следующих задач:
1. Исследовать и проанализировать научную литературу по данной теме;
2. Раскрыть сущность понятий «тепловое излучение» и «спектр», «спектр теплового излучения»;
3. Подобрать примеры иллюстрации понятий, используемых в работе, и сделать соответствующие выводы.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем составляет 29 страниц.

Заключение:

На основе проведенного в работе исследования можно сделать следующие выводы:
1. Тепловое излучение – это самое распространенное в природе излучение. Оно происходит за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) оно свойственно всем телам, имеющим высшую температуру за 0 К.
В процессе излучения внутренняя энергия тела уменьшается, а при поглощении электромагнитных волн – увеличивается.
Тепловым излучением называется излучение тел, которое обусловленное нагревом. Оно не всегда находится в форме видимого света. Примером может послужить человеческое тело при комнатной температуре. Оно излучает инфракрасные волны.
2. Тепловое излучение характерно для любого нагретого тела. Наиболее просто выглядит спектр излучения абсолютно черного тела. Его интенсивность увеличивается с температурой. Длина волны в максимуме излучения при увеличении температуры сдвигается в сторону более коротких длин волн.
3. Тепловое излучение – это практически единственный вид излучения, который является равновесным.
4. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны определенной длины, которые можно представить в виде спектра.
Спектр – это цветовая линия с плавно переходящими друг в друга цветами, отражающими в свою очередь распределение энергии по частотам (по длинам волн).
5. Спектры бывают: линейчатыми, полосатыми и сплошными.
Линейчатый спектр – это оптическое излучение единичных возбужденных атомов, которое возникает благодаря квантовым переходам между электронными уровнями энергии (атомные спектры).
Полосатый спектр имеет вид цветных полос, разделенных темными промежутками (молекулярные спектры).
В непрерывном спектре нет темных промежутков, и на экране спектрального аппарата можно видеть сплошную разноцветную полосу. Это означает, что в спектре имеются все длины волн.
5. Абсолютно черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения, спектр распределения энергии излучения такого тела универсальный. В связи с этим расчетной основой тепловой радиации есть законы излучения абсолютно черного тела (закон Планка, закон смещения Вина, закон Стефана-Больцмана).
6. Частотный спектр излучения абсолютно черного тела (АЧТ) имеет характерный максимум, который сдвигается при повышении температуры в коротковолновую часть спектра теплового излучения.
7. Непрерывный спектр излучают раскаленные твердые тела и разогретые жидкости, находящихся при данной температуре в состоянии термодинамического равновесия с излучением. Газы под высоким давлением тоже могут излучать непрерывный спектр. Это обстоятельство свидетельствует о том, что существование непрерывного спектра обусловлено не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и значительно зависит от взаимодействия атомов между собой.
8. Конец прошлого века ознаменовался интенсивными исследованиями особенностей излучения абсолютно черного тела и строения его спектра. Из термодинамических соображений следовало, что распределение интенсивности в спектре теплового излучения абсолютно черного тела не должно зависеть от его строения.

Фрагмент текста работы:

Глава 1
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

1.1 Понятие и характеристики теплового излучения

Определение 1. Под тепловым излучением понимают электромагнитное излучение, которое возникает только вследствие преобразования тепловой энергии в излучение [1].
Характерной особенностью теплового излучения твердых тел является непрерывный спектр (рис. 1). Это объясняется тем, что твердое тело представляет собой систему огромного количества электронов и ионов, которые колеблются и излучают фотоны всех возможных частот [3].

Рисунок 1 – Электромагнитный спектр
Чем больше температура твердого тела, тем больше энергия движения его электронов и ионов и тем соответственно выше его энергетический поток, который излучается телом. Различные тела, имеющие одинаковую температуру, могут иметь разную плотность излучения и разное распределение энергии по спектру. Эти процессы описываются законами теплового излучения, которые относятся к фундаментальным законам физики и достаточно подробно рассматриваются в курсах физики и основ светотехники (закон Планка, закон смещения Вина, закон Стефана-Больцмана и так дальше) [4].
В данном пункте работы также рассмотрено количественные характеристики теплового излучения.
Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения [2].
Определение 2. Поток энергии, излучаемый 1 поверхности тела, называется энергетической светимостью, или излучающей способностью . Она выражается [1].
Нагретое тело излучает волны разной длины волны (рис. 2).

Рисунок 2 – Длины волн нагретого тела
Выделим определенный интервал длины волны от до . Энергетическая светимость, которая соответствует этому интервалу, пропорциональна его ширине [10]:
. (1)
где – спектральная плотность энергетической светимости. Проинтегрировав находим полную энергетическую светимость во всем интервале длин волн [10]:
. (2)
Способность тела поглощать энергию излучения характеризуется коэффициентом поглощения, который равен отношению поглощенного телом потока излучения к падающему потоку [10]:
. (3)
Так как коэффициент поглощения зависит от длины волны, то нужно ввести понятие монохроматического коэффициента поглощения [10]:
. (4)
Опыты показывают, однако, что тела излучают электромагнитные волны не только при высокой, а при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Это излучение называется тепловым.
Определим основные свойства теплового излучения:
1. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры [6] (рис. 3).