Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Н. дуй — ТЪе 'Епегяу о1 тье %!пйв. (Рггы!Ьаиопег й, (таивке Ме!сото!пятаке,1пвп!пт, 33 7. К)оьепьаво '1И7).. 1Х А. %сяепет,— ТЬапиойупмп!Ь йег АпповРЬате (НапйЬисЬ й. РЬувнс Вй. )(1 ГВЕГЬ. 5рг!пнет Чет!аа. 1926). 13, Я. % е п 8 е г - ОЬег !Ьетитойупатп!всьр . МавсЫпеп, йьа пп1ет Мт!и!!кипя йег Бс)итеткгай агЬепеп. (Рьуз. 2епвсьин ХЧ(1. 1916). 14. Ег!е1.— ТЬепиойупатп!асье Вейтапйипн йег ааповр1йтысЬеп ЯтаЫИтанктнег!еп. (Меь Ее!Мсьг.
Н. 5., 1933). ГЛАВА 17 Лучисты э!10)'п4л й 1. Гучистая энергия и ее распространение, Тепловая энергия может распространяться без посредства материальной среды, при атом она пред зрительно должна быть превращена в лучистую энергию. Способность тел превращать присущий им запас тепловой энергии (али часть этого запаса) в форму лучистой энергии обусловливается строением молекул и атомов этих тел. Этот процесс превращения тепловой энергии в лучистую энергию называется излучением. Лучистая энергия испускаемая излучателем распространяется как электромагнитные волны, которые различаются по своей длине.
Современная физика установила, что явления волнового распространения тепла, света, электрических и магнитных напряжений в эфире имеют одну и ту же природу электромагнитных волн, которые различаются между собою только длиной волны. В настоящее время известны электромагнитные волны длиною от 3.10' — 2 10 ".а или 3 10'лев — 002.
А'. Напомним, что 1 лслс=1000м (микронов), !в=1000!ч» (миллимикронов1, 1 рр=!ОА' (онгстремов). Эти колебания распределяются по роду их физического действия следующим образом. Волны радио.....,....., =30000 — 1О м Электрические волны Герпа ..... = !О лт — 3 лслс. Далее идет мало исследованный и!ивиЯсуток, заключающий длины волн от Л=З ллю до Л=0,343 жлс=343р. Инфракрасные лучи...... Л = 343в — 0,7бв Световые лучи, воспринимаемые глазом............
Л=0,76В-0,4И Ультрафиолетоаад радиапин... Л=04и — 00!4в и частично до 73А» Далее идет неисследованный промежуток 73А' — 20А; далее рентгеновские лучи от 2ОА' до 0071А'. Еще меньшими длинами волн обладают лучи у (радиоактивные) и лучи космические, Излучение тела, представляет собой особую форму распространения энергии н согласно закону сохранения энергии может происходить только при затрате эквивалентного количества энергии в той или иной форме (тепловой, химической или электрической). Излучать могут только материальные частицы, а не геометрические об'емы илн поверхности.
Когда поверхность какого либо тела пропускает через себя часть лучей, идущих извнутри наружу, а часть лучей отражает обратно внутрь тела, то принято условно говорить, что поверхность данного тела излучает тепло наружу. Количество энергии, излучаемое в виде волн, длина которых заключается между Л и Л-+-оЛ, в единицу времени элементарным об'емом одно- родного излучающего тела, пр ционально этому об'ему ост с(Е= а„дт - с!Л, нФКонечная величина ж называется ко и нентом л' чен птскани данного тела для длины .
ы Лучеиспускание элемента зависит от процессов протекающих внутри него. Принято считать, что излучение данного тела зависит только от его температуры. Энергия отдельнык лучей распределяется в спектре излучениой энергии разнообразно, т. е. лучи различных длин волн в спектре могут иметь различную интенсивность. Распространение лучей внутри однородной, изотропной и неподвижной среды происходит прямолинейно и с постоянной скоростью, не зависящей от направления луча. Луч при переходе из одной среды в другую, также однородную и изотропную, меняет на границе между ними и направление и интенсивность.
Вообще часть лучистой энергии отражается от пограничной поверхности, а часть проходит через нее. Отражение и преломление может быть „чистый", либо „рассеянным" („диффузным"). В первом случае вся падающая энергия отражается или же проходит внутрь тела.
Во втором случае лучистый поток рассеивается в ту и другую среду в разные стороны и с различной интенсивностью. Поверхность, дающая чистое отражение и чистое преломление, пазы. вается „гладкой", если же наблюдается явление рассеивания, то поверхность называется „шероховатой". Если гладкая поверхность полностью отражает все падающие на нее лучи, она называется „зеркальной". Шероховатая поверхность, отражающая полностью падающие на нее лучи, называется белой; шероховатая поверхность, поглошающая все лучи и не отражающая ни одного, называется черной. В природе не существует абсолютно черных тел, однако, представление о подобном теле можно получить, если в каком либо полом теле проделать небольшое отверстие и внутренние стенки этого тела держать при постоянной температуре.
Лучи, попадающие внутрь такого тела через отверстие могут выйти обратно только после большого числа отражений от внутренних стенок. Так как прн каждом отражении имеет место частичное поглощение интенсивности луча, то при выходе наружу интенсивность потока оказывается весьма близкой к нулю. Из существукнцих тел сажа и платиновая чернь дают около 98'(о поглощения. При поглощении лучистой энергии она должна по закону'сохранения энергии превратиться в другую форму.
Поэтому поглощать тепловые лучи могут только материальные частицы. Поглощение лучистой энергии характеризуется тем, что каждый луч ка известном участке пути претерпевает падение напряжения. Для малых участков пути можно считать падение напряжения пропорциональным длине пути луча. Если интенсивность в начале участка обозначить через 7 и падение интенсивности на участке пз через Ы, то ( Н(= — ~„° ( ° ~й..).......,.... (2) лажей" Коэффициент ~„называется ко данной среды для лучей с длиной волны ~. Если среда не поглощает лучей, то ~= О.
Если у среды коэффициенты поглощения только для некоторой ограниченной области неравны нулю, то говорят, что среда обладает селективной или избирательной поглощательной способностью. Атмосферный сухой воздух почти не поглощает лучистой энергии ни в какой области волн. Водяной пар и углекислота поглощают значительное количество лучей, и это обстоятельство оказывается очень важным для термодинамики атмосферы.
Интегрируя обе части равенства (2) в пределах от нуля до з, получим выражение для интенсивности выходящего луча уа — /1е-"' ............. (8) Здесь интенсивность падающего луча обозначается через 1п а интен. снвность выходящего луча через 4,, Таким образом 11 — 4=1~(1 — е й'), откуда Эту величину — отношение поглощенного тепла ко всему излучению, падающему на тело, обозначают через А и называют поглощательной способностью тела или:Калорическим поглощением.
Кирхгоф (К1гспйоЩ первый йокавах,""что отношение лучеиспускательной способности Е к поглощательной способности А какого либо тела не зависит от свойств самого тела, т. е. представляет собой постоянную величину. Для абсолютно черного тела по определению А=1. Следовательно величина отношения -„-- равняется кало- Е рическому испусканию абсолютно черного тела. В этом только для случая монохроматической радиации, т. е. излучения волн одной и той же длины.
Излучение лучистой энергии представляет собой весьма сложный процесс. Даже у однородного и изотропного тела лучеиспускательная и поглощательная способности зависят от длины волны излучаемой радиации, от температуры излучения и от физических свойств тела. Для абсолютно черного тела вид функции излучения Е=~(Л, Т), был предметом исследования целого ряда выдающихся физиков. Окончательно вид этой функции был установлен Планком (Р1апск) в 1900 г., который на основании соображений об электромагнитной природе излучения вывел такую формулу для излучения абсолютно черного тела . (5) эта форма дает неполяризованное'излучение единицы поверхности абсолютно-черного тела, абсолютной температуры Т в обдасти спектра й. в пространственный угол 1 перпендикулярно к поверхности, причем постоянные, входящие,в формулу, имеют такие значения: э = 3 10 ††скор света.
и са сек. У Ь= 6,525 10 зри сек. — так называемая постоянная П л а н к а „дей- ствие". Т вЂ” абсолютная температура; Ф= 1,369 ° 10 " арМрид. — так называемая постоянная Больцмана, выражающая газовую постоянную Ю для одной молекулы; Л вЂ дли волны. В полусферу излучается количество радиации вЕгп — 1й— В дальнейшем мы будем писать формулу: Пл:аи'ка в ниде: Ж~= ~С (с~т — 1) 1Ю, , .
. . . (6) где постоянные С и с имеют такие значения ('.) = б т4, . . (7) где а постоянный коэффициент, зависящий от природы излучающего тела. Несколько:позднее в,1884 г. Больцман (Войхшапп) вывел этот закон для абсолютно черного тела нв основании законов термодинамики. Легко получить этот закон из формулы Планка. В самом деле для того, чтобы найти полное излучение надо проинтегрировать с(Е„т.умножив его на я, по всему спектру, т. е.
в пределах от 1=О до Х= ао.н Тогда мы получим Е Ся дХ ~~( 1т ц или, введя подстановку †. ви, с где Закон Стефана-Больцмана показывает, что общее количество~ излучаемой энергии быстро возрастает с температурой Однако этот вакон1~ не указывает нам как распределяется энергия пь спектру. С=1,683. 10а с=1,432 1О4, если, как принято в метеорологии, выражать радиацию в ' „а длину кал. миансм" волны Х в микронах (н) вместо си. Уравнение Плаяка дает распределение энергии в спектре',' абсо-( лютно черного тела, т. е. зависимость напряжения отдельных лучей от )1 длины их волны. Излучение лучистой энергии газами отличается от излучения твердых тел тем, что газы не дают непрерывного спй((тра.
Согласно закону Кирх тофа, если газ' поглощ)(ет' лучи какой нибудь длины волны', то он должен испускать такие же лучи. Если в какой либо части спектра газ поглощает все лучи, то излучение его в этой части спектра соответствует излучению абсолютно черного тела, т. е. для втой части спектра газ излучает как черное тело. Количество всей излучаемой энергии быстро растет вместе с температурой. Еще в 1878 г. Стефан (Яе1ап) опытным путем нашел, что полное количество излучаемой телом энергии пропорционально 4-ой степени абсолютной температуры тела ави†Закон С т е ф а н а - Б о л ь ц и а н а является вполне точным законом для абсолютно черного тела, В применении к физическим телам он вереи только с известнымн ограничениями. Это происходит вследствие большой сложности процессов лученспускання, имеющих место в различных физических телах.
Несомненно, что физические тела поглощают только часть падающей радиации, остальная часть отражается телами и проходит через них. Если не принимать во внимание теплопрозрачности для многих твердых тел, то закон Ки рхгофа позволяет утверждать, что при данной длине волны излучения тело излучает такую часть энергии, излучаемой при той же температуре абсолютно черным телом, какую оно поглощает при падении на его поверхность радиации той же длины волны. Отсюда следует, что все тела излучают меньше, чем излучает абсолютно черное тело при той же температуре: Что касается газов, которые дают лннейчатый спектр излучения, то закон Стефана-Больцма на к ним, строго говоря, неприменим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
