Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, испускаемое за счёт теплового движения частиц в веществе. Любое вещество с температурой выше абсолютного нуля (−273,15 °C; 0 K) испускает тепловое излучение. Испускание энергии возникает в результате комбинации электронных, молекулярных и решёточных колебаний в материале.

Тепловое излучение является одним из фундаментальных механизмов теплопередачи, наряду с теплопроводностью и конвекцией. Но в отличие от остальных механизмов, передача тепла излучением между двумя телами не требует их прямого контакта или переноса вещества. Поэтому тепловое излучение является основным способом передачи энергии между объектами в космосе. Например, абсолютное большинство энергии, которую Земля получает от Солнца, передаётся в виде электромагнитных волн теплового излучения. Эта энергия частично поглощается и рассеивается в атмосфере, но бо́льшая часть солнечного излучения проходит через атмосферу к поверхности, где оно либо поглощается и нагревает поверхность, либо отражается.

Кинетическая энергия преобразуется в электромагнитную при столкновениях частиц вещества друг с другом, из-за чего заряженные частицы в их составе испытывают ускорение и создают электромагнитные волны. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием. Характерной чертой является то, что при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий , в спектре начинается экспоненциальный завал. Длина волны (а также частота) и интенсивность излучения зависят от температуры вещества.

При относительно невысоких температурах бо́льшая часть теплового излучения находится в инфракрасном (ИК) спектреMeseguer, José. (2012). Spacecraft thermal control. Isabel Pérez-Grande, Angel Sanz-Andrés. Cambridge: Woodhead Pub. ISBN 978-0-85709-608-1. OCLC 903167592.. Хотя при температуре выше 525 °C (798 K; точка Дрейпера) его часть становится достаточно видимой, чтобы свечение вещества стало заметно для человеческого глаза, видимое излучение составляет лишь малую часть всего испускаемого спектра вплоть до крайне высоких температур. Видимое свечение также называется «накаливанием», и используется, например, в лампах накаливания. Тепловое излучение в видимом спектре испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера, белый карлик, катоды электронных ламп, обогреватели как масляные, так и инфракрасные.

Тепловое излучение можно использовать для обнаружения объектов или явлений, обычно невидимых человеческому глазу, путём термографии. Тепловизионные камеры создают изображение, улавливая инфракрасное излучение. Эти изображения могут представлять температурный градиент сцены и обычно используются для обнаружения объектов с более высокой температурой, чем их окружение. В тёмной среде, где уровень видимого света низок, инфракрасные изображения можно использовать для обнаружения животных или людей по температуре их тела. Космическое сверхвысокочастотное фоновое излучение (реликтовое излучение) является ещё одним примером теплового излучения.

Излучение абсолютно чёрного тела — концепция, используемая для анализа теплового излучения в идеализированных системах. Абсолютно чёрное тело — идеальный поглотитель и излучатель, который поглощает всё электромагнитное излучение, падающее на него, вне зависимости от его свойств. Эта модель применяется, если излучающий объект соответствует физическим характеристикам абсолютно чёрного тела в термодинамическом равновесии. Закон Планка описывает спектр излучения абсолютно чёрного тела и связывает лучистый тепловой поток от тела с его температурой. Закон смещения Вина определяет наиболее вероятную частоту испускаемого излучения, а закон Стефана — Больцмана даёт интенсивность излучения. Там, где модель абсолютно чёрного тела не соответствует настоящим свойствам вещества, испускание и поглощение можно смоделировать с помощью упрощённой модели серого тела или вычислений квантовой электродинамики (КЭД).

Описание Тепловое излучение отражает преобразование тепловой энергии в электромагнитную. Тепловая энергия — это кинетическая энергия хаотичного движения атомов и молекул в веществе. Она присутствует во всём веществе с ненулевой температурой (выше абсолютного нуля). Атомы и молекулы состоят из заряженных частиц, то есть протонов и электронов. Кинетические взаимодействия между частицами вещества приводят к ускорению зарядов и дипольным колебаниям. Это ведёт к электродинамической генерации связанных электрических и магнитных полей, что приводит к испусканию фотонов (квантов электромагнитного излучения), уносящих энергию от тела.

Характеристики теплового излучения зависят от различных свойств поверхности, от которой оно исходит, включая её температуру и спектральную излучательную способность, что описывается законом излучения Кирхгофа. Тепловое излучение не является монохроматическим, то есть оно не состоит только из волн одной частоты, а включает непрерывный спектр энергий фотонов. Если излучающее тело и его поверхность находятся в термодинамическом равновесии, а поверхность имеет идеальную поглощательную способность на всех длинах волн, оно характеризуется как абсолютно чёрное тело. Абсолютно чёрное тело также является идеальным излучателем. Излучение таких идеальных излучателей называется излучением абсолютно чёрного тела. Отношение излучения любого тела к излучению абсолютно чёрного тела является излучательной способностью тела, поэтому излучательная способность абсолютно чёрного тела равна единице.

Распределение мощности, которую излучает абсолютно чёрное тело на разных частотах, описывается законом Планка. При любой заданной температуре существует частота fmax, на которой излучаемая мощность максимальна. Закон смещения Вина и тот факт, что частота обратно пропорциональна длине волны, указывают на то, что пиковая частота fmax пропорциональна абсолютной температуре T абсолютно чёрного тела. Фотосфера Солнца при температуре около 6000 K излучает в основном излучение в видимой человеком части электромагнитного спектра (около 500 нм). Атмосфера Земли частично прозрачна для видимого света, и свет, достигающий поверхности, поглощается или отражается. Поверхность Земли испускает поглощённое излучение, приближаясь к поведению абсолютно чёрного тела при 300 K с длиной волны около 10 нм. На этих более низких частотах атмосфера в значительной степени непрозрачна, и излучение от поверхности Земли поглощается или рассеивается атмосферой.

Различные вещества могут совершенно по разному взаимодействовать с тепловым излучением. Например, металлы обладают низкой испускательной/поглощательной способностью и отражают большинство теплового излучения, поглощая лишь около 10%. С другой стороны, большинство неметаллов отлично поглощают и испускают тепловое излучение, имея испускательную способность около 90% (что близко к свойствам абсолютно чёрного тела). Но даже среди схожих элементов различия в их взаимодействии могут быть очень заметны (см. изображение). Окисление металлов приводит к резкому увеличению их поглощательной способности из-за образования слоя оксидов, содержащих неметалл кислород, на их поверхности.

Часто поглощательные способности материалов в видимом спектре (видимый человеку цвет) не соответствуют таковым в тепловом спектре. К примеру, чёрная и белая краска поглощают около 97% и 14% солнечного излучения соответственно, но имеют практически одинаковую поглощательную способность в тепловом диапозоне (около 95% при комнатной температуре). Некоторые вещества, известные как «селективные поверхности», имеют сильно отличающиеся поглощательные и испускательные способности на различных длинах волн, и могут быть использованы, например, в солнечных панелях.

Кожа человека поглощает в среднем 63% солнечного излучения, но испускает энергию с эффективностью почти 97% (при комнатной температуре). Кожа человека активно испускает тепловое излучение (около 40% всего тепла человек теряет с излучением), поэтому ощущение человеком тепла в помещении сильно зависит от температуры окружающих поверхностей.

Характеристики

Частота

Тепловое излучение, испускаемое телом при любой температуре, состоит из широкого диапазона частот. Доминирующая частота испускаемого излучения смещается к более высоким частотам по мере увеличения температуры излучателя. Например, раскалённый докрасна объект излучает в основном в длинноволновом (красном и оранжевом) диапазоне видимой полосы. Если его нагревать дальше, он также начинает испускать заметное количество зелёного и синего света, и распределение частот во всём видимом диапазоне заставляет его казаться белым для человеческого глаза, и он станет раскалён добела. Даже при температуре каления в 2000 K, 99% энергии излучения всё ещё находится в инфракрасной области. Это определяется законом смещения Вина. На диаграмме пиковое значение для каждой кривой смещается влево по мере увеличения температуры.

Связь с температурой Полная интенсивность излучения абсолютно чёрного тела возрастает пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры , как выражено законом Стефана — Больцмана:

где — постоянная Стефана — Больцмана.

Кухонная духовка при температуре, примерно вдвое превышающей комнатную по абсолютной температурной шкале (600 K против 300 K), излучает в 16 раз больше мощности на единицу площади. Объект при температуре нити накаливания в лампочке — примерно 3000 K, или в 10 раз больше комнатной температуры — излучает в 10 000 раз больше энергии на единицу площади.

Видимый эффект Когда температура тела достаточно высока, его спектр теплового излучения становится достаточно сильным в видимом диапазоне, чтобы заметно для человека светиться. Видимый компонент теплового излучения иногда называют накаливанием, хотя этот термин также может относиться к тепловому излучению в целом.

Практически все твёрдые или жидкие вещества начинают светиться при температуре около 798 K слегка тусклым красным цветом. Этот предел называется точкой Дрейпера. Видимое излучение не исчезает ниже этой температуры, но оно слишком слабое в видимом спектре, чтобы быть заметным.

Взаимность Количество электромагнитного излучения, испускаемого телом на заданной частоте, пропорционально количеству излучения, которое тело поглощает на этой частоте. Таким образом, поверхность, которая термически поглощает больше красного света, излучает больше красного света. Этот принцип применим ко всем свойствам волны, включая длину волны (цвет), направление, поляризацию и даже когерентность. Поэтому возможно существование теплового излучения, которое поляризовано, когерентно и направлено, хотя поляризованные и когерентные источники довольно редки в природе. Это явление — частный случай теоремы взаимности и детального балансаReif, Frederick (2009). Fundamentals of statistical and thermal physics (reiss ed.). Long Grove, Ill: Waveland Press. pp. 383–385. ISBN 978-1-57766-612-7..

Применения

Свойства теплового излучения активно используются в инженерных областях и в бытовой жизни. Тепловое излучение играет решающую роль в комфорте человека, влияя на воспринимаемое ощущение температуры. Тепловое излучение Солнца является эффективным и важным возобновляемым источником энергии в альтернативной энергетике.

Солнечная энергия

Электромагнитное излучение от Солнца имеет пиковую длину волны около 550 нм и может улавливаться для выработки тепла или электричества.

Тепловое излучение может быть сконцентрировано в крошечное пятно с помощью отражающих зеркал, чем пользуется концентрированная солнечная энергия. Вместо зеркал для концентрации лучистой энергии также могут использоваться линзы Френеля. Любой из этих методов может быть использован для быстрого испарения воды в пар с использованием солнечного света. Например солнечная электростанция PS10 в Испании вырабатывает до 23400 мегаватт-часов в год, нагревая водяной пар до температуры около 530 K с КПД около 17%, отражая и концентрируя солнечный свет большим количеством зеркал на одну точку в главной башне.

Влияние на Землю