1. Физични основи

Принципи на радиацията (1/2)

Принципите на радиацията са важни за разбирането на топлинната радиация, която се излъчва от всеки обект в зависимост от неговата температура и свойствата на неговия материал. Ефикасността на поглъщане и излъчване на радиацията са важни свойства, които трябва да бъдат разгледани тук; тяхната взаимна зависимост се дава от Закона на Кирхоф.

Температурната зависимост на излъчената радиация се подчинява на Закона на Стефан-Болцман. Радиацията се излъчва във вид на електромагнитни вълни, чиято интензивност е функция на дължината на вълната. Максимумът на излъчваната топлинна радиация се обяснява от Закона на Вин за отместването, а формата на целия излъчван спектър се дава от Закона на Планк.

Закон на Кирхоф

Ефикасността на излъчване ε изразява способността на предмета да излъчва топлинна радиация, величина, която варира между 0 (никакво излъчване) и 1 (най-високото възможно излъчване). Ефикасността на поглъщане α на даден предмет изразява способността на предмета да поглъща падащата радиация. Тя се определя по следния начин:

α = погълната радиация/падаща радиация

която варира между 0 и 1, като 1 отговаря на пълно поглъщане, а 0 – на пълно отклонение или прехвърляне.

Законът на Кирхоф, открит през 1859 г., гласи:

α=ε,

т.е., способността за поглъщане и способността за излъчване на даден предмет са равни. Следователно, предметите, които поглъщат цялата падаща радиация (α=1) имат най-висока ефективност на топлинно излъчване (ε=1). Те се наричат излъчватели от тип „черно тяло“, като терминът „черно“ означава, че няма отразена радиация. Обектите, които поглъщат само част от падащата радиация (α<1) се наричат излъчватели от тип „сиво тяло“.

При селективните излъчватели ефикасността на поглъщане и излъчване зависи от дължината на вълната. Високата или ниската ефикасност на поглъщане на даден предмет в различни спектрални диапазони отговаря на висока или ниска ефикасност на излъчване в съответния спектрален диапазон. Следователно, обобщеният закон на Кирхоф може да бъде записан по следния начин:

αλ=ελ


The Earth in VIS and thermal IR
Земята в диапазона на видимата светлина (ляво) и в диапазона на топлинната инфрачервена светлина (дясно), заснета от Meteosat през 2004 г. Източник: Beckel, 2007

Закон на Стефан-Болцман

Този закон, установен теоретично от Йозеф Стефан през 1879 г. и потвърден експериментално от Лудвиг Болцман през 1884 г., обяснява температурната зависимост на интензивността на топлинната радиация, излъчвана от даден обект. Тя се повишава значително с повишаване на абсолютната температура T в градуси по Келвин (K). Излъчвателната способност M, която представлява силата на излъчване от повърхността на даден предмет и се измерва във W/(m2) се дава от следната зависимост:

M=ε σ T4

където σ=5.7·10-8 W/(m2K). е константата на Стефан-Болцман. Например, двукратното повишаване на абсолютната температура на даден предмет води до 16-кратно увеличение на излъчената топлинна радиация.

Тази промяна в температурата води и до промяна в спектъра на излъчване, която се дава от закона на Планк (виж на следващата страница).