Глава 03. Закон Стефана-Больцмана (1121323), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Сопоставляя определения (2.2) и (2.6), приходим к выражению потока через интенсивность:

У точечных источников измеряется именно поток излучения. В случае цилиндрической симметрии, когда справедлива формула

Обычно мы будем пользоваться последней формулой.

Суммирование по угловым переменным в (2.6), на первый взгляд, должно означать, что поток не зависит от направления. Это действительно так, если иметь в виду характеристику поля излучения. Но величина потока зависит от направления площадки. Здесь проявляется различие между интенсивностью и потоком. Если мы изменим направление контрольной площадки, не меняя поля излучения, то интенсивность в любом направлении останется прежней, но поток через площадку станет другим. Поэтому при вычислении потока важно указывать, о какой площадке идёт речь. Далее мы будем иметь в виду обычно принимаемое предположение, что площадка расположена перпендикулярно лучу зрения.

Средняя интенсивность

Средняя интенсивность Jω определяется как делённый на 4π интеграл от интенсивности по всем направлениям:

В случае изотропной ( не зависящей от направления ) интенсивности, когда

I_ω = I_0,

постоянный множитель I₀ можно вынести за знак интеграла. Учитывая, что телесный угол полной сферы равен 4π, получим

Jω = I₀.

В (2.9) мы суммируем именно интенсивность, а не прошедшую через площадку энергию с учётом знака. Это свойство отличает среднюю интенсивность от потока. Особенно сильно различие проявляется в только что рассмотренном случае изотропного излучения. Здесь количество «втекающей» и «вытекающей» энергии одинаково в каждом направлении, откуда следует, что полный поток через любую площадку равен нулю.

Интенсивность и плотность энергии

Средняя интенсивность связана с плотностью энергии излучения. Обозначим посредством dU_ω() плотность энергии квантов, летящих в определённом направлении d. За время t в телесном угле  через площадку S, расположенную перпендикулярно рассматриваемому направлению, проходит количество энергии, равное произведению dU_ω() на объём параллелепипеда площадью S и высотой c·t, (c — скорость света). Воспользовавшись определением интенсивности (2.2), напишем

откуда получим выражение для полной плотности энергии:

или, согласно (2.9)

Итак, плотность энергии излучения однозначно связана со средней интенсивностью.

Поток от границы изотропного источника

Сформулируем модель границы изотропного источника. Графически она изображена на рис.(3.2.3).

Аналитически модель определяется следующей зависимостью интенсивности от полярного угла :

Смысл этого выражения в том, что исходящее от границы излучение изотропно, но отсутствует излучение, входящее в неё извне. Такое поле излучения уже не является изотропным, и поэтому его поток может быть отличен от нуля. С помощью (2.8) получим

(2.13) F = π I₀.

Подчеркнём, что, строго говоря, (2.13) не есть связь между потоком и интенсивностью, так как поток — это число, а интенсивность — функция угла. Равенство числа и функции возможно только в том случае, если функция принимает постоянное значение во всей области определения. Но изотропной интенсивности отвечает поток, равный нулю. Формула (2.13) справедлива только для функции I_ω() из (2.12).

Формула Стефана–Больцмана

Формула Стефана-Больцмана для интегрального по всему спектру потока излучения F справедлива в рамках сформулированной выше модели границы изотропного источника. Внутри чёрного тела интенсивность I равна своему среднему по углам значению J, которое, в свою очередь, с помощью формулы (2.11) выражается через плотность энергии. Воспользовавшись (1.1) и (1.2) окончательно приходим к

(2.14) F =  T⁴,

где

есть постоянная Стефана–Больцмана для потока излучения, или просто постоянная Стефана–Больцмана.

3.3 Некоторые приложения

Приведём несколько приложений модели чёрного тела к космическим объектам.

Светимость Солнца

Спектр Солнца близок к планковскому с температурой

T_ ≈ 6·10³ K,

а его радиус R_ составляет около 6.96·10¹⁰ см. Поэтому светимость Солнца равна

Она обусловлена, в конечном итоге, переработкой водорода в гелий, причём излучение уносит около 0.8% от энергии покоя в расчёте на один нуклон. На стадии главной последовательности в этом процессе участвует около одной десятой массы звезды. Принимая массу Солнца равной 2·10³³ г, приходим к выводу, что его запас энергии составляет около 1.4·10⁵¹ эрг. Таким образом, Солнцу осталось «жить» на главной последовательности примерно 10¹⁰ лет.

Солнечная постоянная

Снова считая Солнце чёрным телом, оценим энергию, приходящую от него на единичную площадку в окрестности Земли. Расстояние r между Землёй и Солнцем примем равным одной астрономической единице:

r = 1 а.е.= 1.495979·10¹³ см.

Разделив светимость Солнца на площадь сферы радиуса r, получим так называемую солнечную постоянную, то есть, поток всего излучения, падающий вне атмосферы Земли на площадку единичной площади при среднем расстоянии Земли от Солнца:

В настоящее время среднестатистическое энергопотребление составляет несколько киловатт на одного жителя нашей планеты. Несколько квадратных метров солнечных батарей, казалось, могли бы обеспечить среднедушевую потребность в энергии. Однако, низкая эффективность батарей (теоретический к.п.д. батарей составляет около 40%, а серийных элементов — 10%.), переменчивость погоды, некруглосуточный режим работы, непредсказуемые экологические последствия затенения огромных площадей и выведения их из хозяйственного оборота — всё это делает перспективы солнечной энергетики весьма проблематичными.

Температура Земли

Оценим температуру Земли, исходя из условия лучистого баланса. Поверхность Земли считаем абсолютно чёрным телом с температурой T_ . Радиус Земли обозначим R_. На Землю приходит энергия Солнца, равная произведению солнечной постоянной f на площадь земного диска причём доля этого излучения, равная альбедо A, отражается обратно в мировое пространство. Среднее значение альбедо Земли A (альбедо Бонда) равно 0.36. Будем полагать, что, достаточно быстро вращаясь, Земля равномерно прогревается и всю пришедшую на неё энергию переизлучает по закону Стефана-Больцмана. Отсюда следует уравнение баланса:

из которого следует формула для температуры Земли:

Радиус Земли выпал из окончательного результата. Таким образом, для определения температуры нагреваемого Солнцем объекта важны не его размеры, а расстояние от Солнца. Подставляя значения известных параметров, получим численную оценку температуры T_:

T_ ≈ T_ / 23 ≈ 258 K = –15C.

В действительности климат Земли значительно более мягкий. Её средняя температура составляет около 18C за счёт так называемого парникового эффекта — нагрева нижней атмосферы излучением поверхности Земли. Атмосфера поглощает восходящий от поверхности планеты поток длинноволнового излучения, нагревается и, в свою очередь, нагревает поверхность Земли. Как мы установили в разделе (2.7) второй главы, для человеческого глаза максимум в спектре излучения Солнца приходится на длину волны около 5500Å. Температура Земли, согласно оценке предыдущего раздела, примерно в 23 раза меньше температуры Солнца, следовательно в её спектре излучения максимум приходится на длину волны примерно 10 мкм. Роль парникового эффекта иллюстрирует рис. 3.3.1. Жёлтым цветом вверху обозначен спектр излучения Солнца в модели чёрного тела, а

красным — излучение Земли. Оба спектра приведены в относительных единицах. Зелёная линия внизу — степень поглощения земной атмосферой излучения на разных длинах волн. Хорошо видно, что солнечный свет проходит сквозь атмосферу практически беспрепятственно. Наоборот, на участке спектра от 10 до 20 мкм находятся полосы поглощения молекул CO₂, H₂O, O₃, CH₄. Они–то и поглощают излучение, приходящее с поверхности Земли.

Эффективная температура звезды

Не только у Солнца спектр излучения близок к функции Планка. Таким свойством обладает большинство звёзд. Поэтому в астрономии принята особая единица измерения интегрального потока — эффективная температура . Она определяется следующим образом. Если интегральный поток, излучаемый с поверхности звезды, равен F_star, то

.

Физическое содержание этого определения раскрывается его сравнением с формулой (2.14). Эффективная температура — это температура чёрного тела, размеры и светимость которого совпадают с размером и светимостью звезды. Формально (3.1) применимо к любому источнику и является всего лишь мерой потока. Но если источник имеет тепловую природу, то величина даёт представление о температуре его поверхности.

9

Характеристики

Список файлов лекций