Основные понятий и определения

Глава 4. ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ КОРАБЛЯ

Каждое тело обладает внутренней энергией (анергией движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит), которая без совершения над телом работы, может передаваться от одного тела к другому путем теплопередачи. Мерой изменения внутренней энергии при этом служит количество теплоты.

Теплопередача может осуществляться различными путями.

1. Теплопроводностью, характеризующей способность вещества проводить тепло.

2. Конвекцией – переносом тепла потоками газа или жидкости.

3. Излучением – передачей тепла лучами на расстояние.

Последний путь теплопередачи обуславливает существование теплого поля тел на значительных от них расстояниях. Основной физической величиной, от которой зависят тепловые явления, является температура тела.

Теоретически температура определяется на основании 2-го начала термодинамики, как производная от энергии тела по его энтропии. Так определяемая температура всегда положительна; ее называет абсолютной температурой или термодинамической температурой, и обозначают. За единицу абсолютной температуры в системе СИ принимают Кельвин ().

Часто температуру измеряют по шкале Цельсия () она связана с равенством . причем .

Приведем в табличной форме некоторые физические величины, которые потребуются нам при изложении материала (табл., 6).

Примечание. Обозначение физической величины, приведенное в скобках, запасное. Применяется, когда основное обозначение использовать нерационально.

Как видно из таблицы, количество теплоты измеряют в единицах СИ в джоулях; на практике широко используется и несистемная единица – калория (кал). Калория (от латинского слова «калор» – тепло, жар) – это количество теплоты, необходимое для нагревания воды на . Между этими единицами существует соотношение:

.

Табл. 6 Физические величины и их единицы измерения в СИ.

№	Физическая величина	Определение физической величины	Обозначение	Ед. измер.	Определение единицы измерения
	Энергетическая светимость (излучательность)	Мощность излучения с единицы поверхности нагретого тела по всем направлениям (в телесном угле равном ) во всём интервале длин волн (частот)			равен поверхностной плотности потока излучения, при котором поверхность площадью в излучает или поглощает поток излучения
	Поток излучения (лучистый поток)	Средняя мощность излучения за время, значительно больше периода колебаний; характеризуется количеством энергии, переносимой электромагнитными волнами в единицу времени через какую-либо поверхность			есть намагниченность, при которой вещества обладает магнитным моментом
	Длина волны	Расстояние между двумя ближайшими точками гармонической бегущей волны, находящимися в одинаковой фазе колебаний
	Частота периодического процесса	Величина, обратная периоду колебаний, т. е равная числу периодов колебаний (числу колебаний), совершаемых в единицу времени			равен частоте периодического процесса, при которой за время совершается один цикл периодического процесса
	Частота круговая	Круговой частотой называют величину (число колебаний за секунд)			равна частоте равномерного вращения, при котором за время тело совершает один полный оборот
	Теплота	Форма беспорядочного движения образующих тело частиц (атомов, молекул и т. д.). Количественной мерой теплоты является количество теплоты – количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене при неизменных внешних параметрах системы.			равен количеству теплоты, эквивалентной работе
	Плотность теплового тока	Тепловой поток, отнесённый к единице изотермической поверхности			равен поверхностной плотности теплового потока , равномерно распределённого по поверхности площадью
	Теплопроводность	Перенос внутренней энергии хаотическим движением образующих тело частиц, в результате чего выравниваются температуры всех единиц объёма тела			равен теплопроводности вещества, в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока устанавливается температурный градиент
	Коэффициент теплоотдачи	Характеризует интенсивность теплоотдачи, т. е. теплообмена между поверхностью твёрдого тела и соприкасающеюся с ней средой - теплоносителем (жидкостью, газом)			Количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и средой – теплоносителем в

Между плотностью теплового потока и поверхностной плотностью теплового потока :

Все и сильно, и слабо нагретые тела излучают электромагнитные волны в окружающее их пространство. Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии. Так, внутренняя энергия тел является источником их теплового излучения; другие виды энергии возбуждают все остальные виды свечения, объединяющиеся под названием «люминесценция».

Опыт показывает, что тепловое излучение является единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами; другие же виды излучения – неравновесные. К равновесным состояниям и процессам применимы законы термодинамики.

Для описания тепловых явлений используют, взаимодополняющие друг друга, теории – термодинамику и молекулярно-кинетическую.

Одним из основных законов теплового излучения, не распространяющимся на другие виды излучения, является закон Кирхгофа. Он утверждает, что отношение испускательной способности тел к их поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела. Это отношение равно излучательной способности абсолютно черного тела и зависит от длины волны излучения (), где – скорость света, – частота волны и абсолютной температуры .

так как для абсолютно черного тела , следовательно

Поглощательная способность тела (коэффициент поглощения) определяется отношением поглощаемого телом части падающего на него монохроматического потока излучения ко всему падающему на это тело потоку:

Тело, у которого коэффициент поглощения электромагнитного излучения меньше единицы и не зависит от длины волны излучения и абсолютной температуры , носит название серого тела. Коэффициент поглощения (который называют также коэффициентом черноты серого тела) у реальных тел зависит от; (их поглощение селективно), температуры тела, вещества, из которого состоит тело и его формы. Поэтому их можно считать серыми лишь в интервалах и , где приблизительно постоянен. Коэффициент поглощения этих тел характеризует отклонение их поглощающих свойств от свойств абсолютно черного тела.

Характеристиками теплового излучения являются энергетическая светимость (интегральная излучательная способность) и спектральная плотность энергетической светимости (дифференциальная характеристика) .

Энергетическая светимость равна полной мощности теплового излучения единицы поверхности абсолютно чёрного тела во всём интервале частот (длин волн) от 0 до бесконечности.

Спектральная плотность энергетической светимости равна мощности теплового излучения единицы поверхности абсолютно черного тела в единичном интервале длин волн (частот).

Полную излучательную способность абсолютно черного тела определяет закон Стефана-Больцмана, который утверждает, что она пропорциональна 4-й степени абсолютной температуры тела (рис. 27):

Константу называют постоянной Стефана-Больцмана. Она равна .

На рисунке площадь, охватываемая кривой, выражает энергетическую светимость абсолютно черного тела, при соответствующей температуре. Она возрастает с температурой, смещаясь максимумом испускательной способности в сторону более коротких волн. Это явление объяснил закон смещения Вина. Он утверждает, что длина волны , на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучающего тела

где – постоянная Вина. Экспериментальное значение константы равно: .

Найти вид функции Кирхгофа, т.е. теоретически определить спектральный состав теплового излучения и его механизм, пытались многие физики, такие как Вин, Релей, Джино. Но решить згу проблему удалось М. Планку (1900 г). Он получил формулу для спектральной плотности энергии равновесного излучения, которая была подтверждена всеми экспериментальными исследованиями. Для этого ему потребовалось найти принципиально новый подход к рассмотрению данного вопроса, Гипотеза Планка состоит в том, что излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а конечными порциями – квантами. При этом энергия кванта света равна

,

где – постоянная Планка; она равна .

Формула Планка имеет вид

где – постоянная Планка; – постоянная Больцмана; – скорость света в вакууме; – частота излучения; – длина волны излучения.

Используя формулу Планка, можно получить все опытные законы теплового излучения, области спектра которого приведены в табл. 7.

Табл. 7. Спектр теплового излучения

Области теплового излучения
Ультрафиолетовое излучение	0,01 – 0,40
Видимое излучение	0,40 – 0,76
Ближнее инфракрасное излучение	0,74 – 2,50
Среднее инфракрасное излучение	2,50 – 50
Дальнее инфракрасное излучение	50 – 2000