ИЗЛУЧЕНИЕ
Интенсивность излучения, испускаемого телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности. Для потока теплового излучения это выражается законом Стефана — Больцмана:
где f _ абсолютная температура излучающей поверхности (в кельвинах, К); о —константа Стефана —Больцмана '[1,376-10 кал/(с-см2-К4), или 5,67-Ю'8 Вт/(м2-К4)]. Поскольку количество излучаемой энергии или тепла возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, с повышением температуры поверхности излучение увеличивается очень быстро.
Спектр длины волн испускаемого излучения зависит от температуры поверхности: чем горячее поверхность, тем короче излучаемые волны. Если тело нагревается, то по мере повышения его температуры излучение все более сдвигается в коротковолновую область спектра. Излучение раскаленного куска железа начинает становиться видимым (появляется красный свет) ^когда его температура достигает примерно 1000 К. При дальнейшем нагреве он начинает излучать и более короткие волны (т. е. еще больше лучей видимой области). Таким образом, с повышением температуры цвет излучения сдвигается от красного к желтому и белому, солнечная радиация, имеющая пик в видимой части спектра, соответствует температуре поверхности около 6000 К; в ней содержится также значительная доля ближних ультрафиолетовых лучей. Тела с температурой, близкой к физиологической, испускают главным образом лучи средней инфракрасной области. Например пик инфракрасного излучения кожи живого человека {1 —300 К) ле жшг в области 10 000 нм. Поскольку видимый свет соответствует диапазону от 450 до 700 нм, излучение нашей кожи недоступно для глаза (тот свет от кожи, который мы видим, является отраженным, и в темноте его нет).
Зависимость интенсивности и спектра излучения от температуры излучающей поверхности иллюстрируют кривые на рис. 8.4.
Мы уже упоминали об излучающей способности. К этому понятию проще всего подойти, рассмотрев сначала поглощающую способность, т. е. способность поверхности поглощать падающее на нее излучение. По определению, черное тело поглощает полностью все падающее излучение независимо от длины волн и ничего не отражает. Таким образом, поглощающая способность чер-
Рис. 8.4. Как спектр, так и интенсивность теплового излучения тела зависит от температуры его поверхности. Чем выше температура поверхности, тем короче волны и тем выше интенсивность излучения. На рисунке показано спектральное распределение энергии теплового излучения Солнца (6000 К), раскаленной плиты (1000 К) и человеческого тела (300 К). (Hardy, 1949.)
ного тела равна 100 %. (Хотя мы обычно мыслим себе «черное» применительно к видимому свету, физическое определение включает все длины волн).
В противоположность черному телу поверхность, которая отражает все падающее на нее излучение, имеет поглощающую способность, равную нулю, и является идеальным отражателем. К этому состоянию приближается отполированная до блеска металлическая поверхность (например, серебряное зеркало). Поскольку любое излучение, падающее на тело, либо отражается им, либо поглощается, отражающая и поглощающая способности тела должны в сумме составлять единицу (или 100%). Например, если тело отражает 30% падающего излучения, то оно поглощает 70% и т. д. ’
Как правило, поглощающая (а значит, и отражающая) способность зависит от длины волны падающего излучения. В области видимого света мы воспринимаем это как цвет предметов; например, мы видим желтым тот предмет, который отражает главным образом желтые лучи и поглощает остальные компоненты видимого света. По отношению к средней части инфракрасного спектра, которая представляет для нас наибольший интерес в связи с тепловым излучением тел при физиологических температурах, почти все поверхности являются черными. Кожа человека, например, поглощает практически 100 % падающего на нее инфракрасного излучения и, таким образом, является по отношению к нему черным телом независимо от ее видимого цвета.
Теперь, когда мы познакомились с поглощающей способностью, рассмотрим, что такое излучающая способность. Эти две характеристики численно равны между собой, что можно проиллюстрировать следующим образом. Представим себе предмет, находящийся в вакууме внутри полого шара, температура стенок которого повсюду одинакова. Излучение стенок падает на этот предмет и частично отражается им, а частично поглощается. Аналогичным образом и сам предмет испускает излучение, ^ которое-, частью отражается, а частью поглощается внутренней поверхностью шара (отраженное излучение в свою очередь либо снова, падает на предмет, либо попадает на другую точку стенки шара). Когда система находится в равновесии, температура предмета; равна температуре окружающей сферической поверхности и количество поглощаемого им излучения в точности равно количеству испускаемого. Если бы это было не так, температура предмета; отличалась бы от температуры поверхности шара. Последнее же- физически невозможно, ибо система не может генерировать энергию и работать как perpetuum mobile. В качестве примера из. практики возьмем блестящий металлический кофейник с отражающей способностью 95% (а поглощающей — 5 %К Его излучающая способность также равна 5% (т. е. кофейник с блестящей поверхностью отдает тепло путем излучения очень медленно) .
Представим себе теперь, что предмет внутри полого шара почти черный и его поглощающая способность равна 99%. Очевидно, что в равновесном состоянии у этого предмета будет такая же температура, как и у находящегося в тех же условиях отполированного серебряного предмета, хотя поглощающая способность последнего может составлять всего лишь 1%. Причина в том, что- в равновесной системе количество поглощаемого излучения в точности равно количеству испускаемого.
Повторим еще раз, что тела с высокой поглощающей способ— ностью обладают столь же высокой излучающей способностью. Тело, абсолютно «черное» по отношению к данной длине волн, будет также идеальным излучателем волн этой же длины.
Кожа человека, мех животных и всякого рода другие неметаллические поверхности обладают высокой поглощающей способностью в средней инфракрасной области — в диапазоне от 5000 до 10 000 нм. В этой области кожа человека независимо от степени ее пигментации является практически черной. Те различия в цвете кожи, которые мы замечаем, относятся к видимой области спектра, а поскольку в этой области кожа не излучает, особенности пигментации не влияют на ее излучение.
Вследствие высокой поглощающей способности в средней инфракрасной области спектра излучающая способность кожи в этой области тоже близка к 100%- При этом пигментированная и не- пигментированная кожа теряет путем излучения примерно одинаковое количество тепла; та и другая излучает как практически черное тело. Это относится и к меховому покрову животных, излучение которого не зависит от цвета меха в видимом свете.
Незнание этого простого физического факта породило ряд ложных представлений относительно значения той или иной окраски животных. Например, высказывалось предположение, что животные с темным мехом быстрее теряют тепло путем излучения, чем светлоокрашенные животные. Но так как излучение в инфракрасной области никак не связано с видимой окраской, различие в таком излучении можно было установить только путем прямых измерений в инфракрасной области. Данные таких измерений не выявили предполагаемых различий.
Однако цвет кожи или мехового покрова может существенно влиять на поглощение радиации, пик которой лежит в видимой области спектра. На эту область приходится примерно половина энергии солнечного излучения (рис. 8.4), и для теплового баланса организма важно, поглощается этот свет или отражается. Под прямыми солнечными лучами темноокрашенный кожный или меховой покров поглощает больше лучистой энергии, чем светлый.
Расчет суммарного переноса тепла путем излучения. Если между двумя поверхностями происходит теплообмен путем излучения, то каждая из них будет излучать согласно закону Стефана — Больцмана и для суммарного переноса тепла (Qr) между ними мы получим
где о — константа Стефана — Больцмана, si и ег — излучающие способности двух поверхностей, Т\ и Т2 — абсолютные температуры этих поверхностей и А—-эффективная излучающая площадь[36]. Если внешняя среда является однородной сферой, то Л — это просто общая «видимая» в направлении лучей поверхность. Если же
внешняя среда неоднородна, и особенно если в ней имеется точечный источник излучения (например, солнце), то интегральный учет поверхностей, участвующих в теплообмене, усложняется. С этой точки зрения природные ситуации чрезвычайно сложны, к здесь очень трудно дать точное математическое описание переноса тепла. Тем не менее, поняв в принципе физические основы теплообмена путем излучения, мы можем легко избежать ошибок вроде того вывода о роли пигментации, о котором упоминалось выше.
Применяемое на практике упрощение расчета. Хотя перенос- тепла путем излучения зависит от четвертой степени абсолютной температуры, уравнение переноса все же можно упростить, если разница в температуре поверхностей не слишком велика. В диапазоне температур около 20° ошибка при упрощении уравнения Стефана — Больцмана мала, и ею часто можно пренебречь; суть, упрощения состоит в том, что приближенно теплообмен путем излучения считают пропорциональным разности температур между двумя поверхностями. При малых разностях температур ошибка сравнительно невелика, но она быстро возрастает с увеличением разности.
Мы будем пользоваться этим упрощением, считая радиационный теплообмен пропорциональным разности температур. У теплокровного животного отдача тепла в холодной среде осуществляется как путем теплопроводности, так и путем излучения. Поскольку скорость обоих процессов пропорциональна разности температур (Г2—Ту), суммарная скорость теплоотдачи также пропорциональна Т2—Ту, или
где все константы, входящие в уравнение теплообмена, объединены в один фактор пропорциональности С.
Мы еще вернемся к этому упрощенному уравнению при расчете потери тепла теплокровным животным в условиях холода.
ИСПАРЕНИЕ
Испарение воды связано с затратой большого количества тепла. Чтобы 1 г воды, имеющей комнатную температуру, превратить в пар с той же температурой, требуется 584 кал (2443 Дж)‘. Это поразительно много тепла: вспомним, что для нагревания 1 г воды от точки замерзания до точки кипения расходуется только.- 100 кал (418 Дж); таким образом, для испарения воды нужноlt; почти в 6 раз больше тепла, чем для нагрева ее от 0 до 100 “С-
Количество тепла, необходимое для фазового перехода водье из жидкости в пар, называют теплотой парообразования (Hv). Эта величина несколько изменяется в зависимости от температуры, при которой происходит фазовый переход; так, при 0°С Яу =
= 595 кал на 1 г воды, при 22 °С Hv = 584 кал/г, а при температуре кипения (100 °С) Hv = 539 кал/г.
В физиологии обычно используют величину 580 кал на 1 г во- _ды, что приближенно соответствует теплоте перехода воды в пар на поверхности кожи потеющего человека при температуре около ¦35 °С.
Измерять потерю тепла при испарении воды очень удобно: достаточно знать количество испарившейся воды. В условиях жары организм человека охлаждается путем испарения пота со всей поверхности кожи, тогда как у собаки испарение влаги идет главным образом в дыхательных путях и на языке. Разумеется, ко- .личество тепла, расходуемого на испарение 1 г воды, в обоих случаях одинаково (т. е. площадь испаряющей поверхности и ее локализация не имеют для нас значения).
Воздух, выдыхаемый млекопитающими и другими животными, насыщен водяным паром, и поэтому даже при отсутствии перегрева в дыхательных путях всегда испаряется значительное количество влаги. Это, конечно, необходимо учитывать при всех расчетах юбщего теплового баланса организма; к последнему вопросу мы сейчас и перейдем.
Еще по теме ИЗЛУЧЕНИЕ:
- Роль ультрафиолетового излучения в жизни насекомых
- УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
- Инфракрасное излучение
- Роль инфракрасного излучения в жизни насекомых
- Влияние ионизирующего излучения
- Каким образом рентгеновское излучение вызывает мутацию?
- Радиация и бюджет энергии
- Эффект Комптона
- СВЕТ
- ПОД ОДНИМ «ОДЕЯЛОМ»: ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И ВЫЗЫВАЮЩИЕ ЕГО ГАЗЫ
- Радиация и наследственность
- СВЕТОЛЕЧЕНИЕ (ФОТОТЕРАПИЯ)
- Разговор с Циолковским
- ФЛЮОРИМЕТРЫ (ЛЮМИНОМЕТРЫ)
- 2.1. РАДИАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИОСФЕРЫ
- МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДНО-ЭЛЕКТРОЛИТНОГО И МИНЕРАЛЬНОГО ОБМЕНОВ