Лекція №16. Теплове випромінювання

Отже, що таке теплове випромінювання?

Теплове випромінювання - це електромагнітне випромінювання, яке виникає за рахунок енергії обертального та коливального руху атомів і молекул у складі речовини. Теплове випромінювання характерне для всіх тіл, які мають температуру, що перевищує температуру абсолютного нуля.
 
Теплове випромінювання тіла людини належить до інфрачервоного діапазону електромагнітних хвиль. Уперше таке випромінювання було відкрите англійським астрономом Вільямом Гершелем. У 1865 році англійський фізик Дж. Максвелл довів, що ІЧ - випромінювання має електромагнітну природу і являє собою хвилі завдовжки від 760нм до 1-2мм. Найчастіше весь діапазон ІЧ - випромінювання поділяють на області: ближню (750нм-2.500нм), середню (2.500нм – 50.000нм) і дальню (50.000нм-2.000.000нм).
 
Розглянемо випадок, коли тіло А розташоване в порожнині Б, яка обмежена ідеальною відбивною (непроникною для випромінювання) оболонкою С (рис.1). У результаті багаторазового відбиття від внутрішньої поверхні оболонки випромінювання зберігатиметься в межах дзеркальної порожнини і частково поглинатиметься тілом А. За таких умов система порожнина Б – тіло А не втрачатиме енергії, а відбуватиметься лише безперервний обмін енергією між тілом А і випромінюванням, яке заповнює порожнину Б.
Рис.1. Багаторазове відбиття теплових хвиль від дзеркальних стінок порожнини Б
Якщо розподіл енергії залишається незмінним для кожної довжини хвилі, то стан такої системи буде рівноважним, а випромінювання також буде рівноважним. Єдиним видом рівноважного випромінювання є теплове. Якщо з якоїсь причини рівновага між випромінюванням і тілом зміститься, то починають відбуватися такі термодинамічні процеси, які повернуть систему в стан рівноваги. Якщо тіло А починає випромінювати більше, ніж поглинає, то тіло починає втрачати внутрішню енергію, і температура тіла (як міра внутрішньої енергії) почне падати, що зменшить кількість енергії, яка випромінюється. Температура тіла падатиме доти, доки кількість енергії, що випромінюється, не стане рівною кількості енергії, яку поглинає тіло. Таким чином, настане рівноважний стан.
 
Рівноважне теплове випромінювання має такі властивості: однорідне (однакова густина потоку енергії в усіх точках порожнини), ізотропне (можливі напрямки поширення рівноймовірні), неполяризоване (напрямки й значення векторів напруженостей електричного та магнітного полів в усіх точках порожнини змінюються хаотично).
 
Основними кількісними характеристиками теплового випромінювання є:
 
- енергетична світність - це кількість енергії електромагнітного випромінювання в усьому діапазоні довжин хвиль теплового випромінювання, яка випромінюється тілом в усіх напрямках з одиниці площі поверхні за одиницю часу: R = E/(S·t), [Дж/(м²с)] = [Вт/м²] Енергетична світність залежить від природи тіла, температури тіла, стану поверхні тіла і довжини хвилі випромінювання.
 
- спектральна густина енергетичної світності - енергетична світність тіла для даних довжин хвиль (λ + dλ) за даної температури (T + dT):  R_λ,T  = f(λ, T).
 
Енергетична світність тіла в межах якихось довжин хвиль обчислюється інтегруванням R_λ,T  = f(λ, T) для T = const:

- коефіцієнт поглинання - відношення поглиненої тілом енергії до енергії, що падає. Так, якщо на тіло падає випромінювання потоку dФ_пад, то одна його частина відбивається від поверхні тіла - dФ_відб , інша частина проходить у тіло й частково перетворюється на теплоту dФ_погл, а третя частина після кількох внутрішніх відбиттів - проходить крізь тіло назовні dФ_пр :  α = dФ_погл/dФ_пад.

Коефіцієнт поглинання α залежить від природи тіла, що поглинає, довжини хвилі випромінювання, що поглинається, температури і стану поверхні тіла.
 
- монохроматичний коефіцієнт поглинання - коефіцієнт поглинання теплового випромінювання даної довжини хвилі за заданої температури: α_λ,T = f(λ,T)
 
Серед тіл є такі, які можуть поглинати все теплове випромінювання будь-яких довжин хвиль, що падає на них. Такі ідеально поглинальні тіла називаються абсолютно чорними тілами. Для них α =1.
 
Є також сірі тіла, для яких α<1, але однаковий для всіх довжин хвиль інфрачервоного діапазону.

Моделлю АЧТ є малий отвір порожнини з теплонепроникною оболонкою. Діаметр отвору становить не більше 0,1 діаметра порожнини. За постійної температури з отвору випромінюється певна енергія, що відповідає енергетичній світності абсолютно чорного тіла. Але АЧТ - це ідеалізація. Але закони теплового випромінювання АЧТ допомагають наблизитися до реальних закономірностей.

1. Закон Кірхгофа. Теплове випромінювання є рівноважним - скільки енергії випромінюється тілом, стільки ж її ним і поглинається. Для трьох тіл, що перебувають у замкненій порожнині, можна записати:

Зазначене співвідношення буде правильним і тоді, коли одне з тіл буде АЧ:

Оскільки для АЧТ α_λT.
Це закон Кірхгофа: відношення спектральної густини енергетичної світності тіла до його монохроматичного коефіцієнта поглинання (за певної температури і для певної довжини хвилі) не залежить від природи тіла і дорівнює для всіх тіл спектральній густині енергетичної світності за тих самих температури і довжини хвилі.
 
Наслідки із закону Кірхгофа:
1. Спектральна енергетична світність АЧТ є універсальною функцією довжини хвилі й температури тіла.
2. Спектральна енергетична світність АЧТ найбільша.
3. Спектральна енергетична світність довільного тіла дорівнює добутку його коефіцієнта поглинання на спектральну енергетичну світність абсолютно чорного тіла.
4. Будь-яке тіло за даної температури випромінює хвилі тієї самої довжини хвилі, яку воно випромінює за даної температури.
 
Систематичне вивчення спектрів низки елементів дало змогу Кірхгофу та Бунзену встановити однозначний зв'язок між спектрами поглинання і випромінювання газів та індивідуальністю відповідних атомів. Так було запропоновано спектральний аналіз, за допомогою якого можна виявити речовини, концентрація яких становить 0,1нм.
 
Розподіл спектральної густини енергетичної світності для абсолютно чорного тіла, сірого тіла, довільного тіла. Остання крива має кілька максимумів і мінімумів, що вказує на вибірковість випромінювання та поглинання таких тіл.

2. Закон Стефана-Больцмана.
У 1879 році австрійські вчені Йозеф Стефан (експериментально для довільного тіла) і Людвіг Больцман (теоретично для АЧТ) встановили, що загальна енергетична світність в усьому діапазоні довжин хвиль пропорційна четвертому степеню абсолютної температури тіла:

3. Закон Віна.
Німецький фізик Вільгельм Він у 1893 році сформулював закон, який визначає положення максимуму спектральної густини енергетичної світності тіла в спектрі випромінювання АЧТ залежно від температури. Згідно із законом, довжина хвилі λ_max, на яку припадає максимум спектральної густини енергетичної світності АЧТ, обернено пропорційна його абсолютній температурі Т:  λ_max = в/t, де   в = 2,9*10^-3 м·К- стала Віна.
 
Таким чином, при збільшенні температури змінюється не лише повна енергія випромінювання, а й сама форма кривої розподілу спектральної густини енергетичної світності. Максимум спектральної густини при збільшенні температури зміщується в бік коротших довжин хвиль. Тому закон Віна називають законом зміщення.
 
Закон Віна застосовується в оптичній пірометрії - методі визначення температури за спектром випромінювання сильно нагрітих тіл, які віддалені від спостерігача. Саме цим методом уперше було визначено температуру Сонця (для 470нм Т=6160К).

Подані закони не дозволяли теоретично знайти рівняння розподілу спектральної густини енергетичної світності за довжинами хвиль. Праці Релея та Джинса, в яких учені досліджували спектральний склад випромінювання АЧТ на основі законів класичної фізики, призвели до принципових труднощів, названих ультрафіолетовою катастрофою. У діапазоні УФ-хвиль енергетична світність АЧТ мала б досягати нескінченності, хоча в дослідах вона зменшувалася до нуля. Ці результати суперечили закону збереження енергії.

4. Теорія Планка. Німецький учений у 1900 році висунув гіпотезу про те, що тіла випромінюють не неперервно, а окремими порціями - квантами. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання: E = hν = h·c/λ , де h = 6,63*10^-34 Дж·с стала Планка.
 
Керуючись уявленнями про квантове випромінювання АЧТ, він отримав рівняння для спектральної густини енергетичної світності АЧТ:

Ця формула відповідає дослідним даним у всьому інтервалі довжин хвиль за всіх температур.
 
Сонце - основне джерело теплового випромінювання в природі. Сонячне випромінювання займає широкий діапазон довжин хвиль: від 0,1нм до 10м і більше. 99% сонячної енергії припадає на діапазон від 280 до 6000нм. На одиницю площі земної поверхні припадає в горах від 800 до 1000 Вт/м². До земної поверхні доходить одна двомільярдна частина тепла - 9,23 Дж/см². На діапазон теплового випромінювання від 6000 до 500000нм припадає 0,4% енергії Сонця. В атмосфері Землі більша частина ІЧ-випромінювання поглинається молекулами води, кисню, азоту, діоксиду вуглецю. Радіодіапазон теж здебільшого поглинається атмосферою.
 
Кількість енергії, яку приносять сонячні промені за 1с на площу в 1 кв.м, розташовану за межами земної атмосфери на висоті 82 км перпендикулярно до сонячних променів, називається сонячною сталою. Вона дорівнює 1,4*10³ Вт/м².
 
Спектральний розподіл нормальної густини потоку сонячного випромінювання збігається з таким для АЧТ за температури 6000 градусів. Тому Сонце щодо теплового випромінювання - АЧТ.

Теплове випромінювання з поверхні тіла людини відіграє велику роль у тепловіддачі. Існують такі способи тепловіддачі: теплопровідність (кондукція), конвекція, випромінювання, випаровування. Залежно від умов, у яких опиниться людина, кожен із цих способів може мати домінувальне значення (так, наприклад, за дуже високих температур середовища провідна роль належить випаровуванню, а в холодній воді – кондукції, причому температура води 15 градусів є смертельним середовищем для оголеної людини, і через 2-4 години настає непритомність і смерть унаслідок переохолодження мозку). Частка випромінювання в загальній тепловіддачі може становити від 75 до 25%. У нормальних умовах близько 50% при фізіологічному спокої.
 
Теплове випромінювання, яке відіграє роль у житті живих організмів, ділиться на короткохвильове (від 0,3 до 3 мкм) і довгохвильове (від 5 до 100мкм). Джерелом короткохвильового випромінювання служать Сонце й відкрите полум'я, а живі організми є виключно реципієнтами такого випромінювання. Довгохвильове випромінювання і випромінюється, і поглинається живими організмами.
 
Величина коефіцієнта поглинання залежить від співвідношення температур середовища і тіла, площі їх взаємодії, орієнтації цих площ, а для короткохвильового випромінювання – від кольору поверхні. Так, у негрів відбивається лише 18% короткохвильового випромінювання, тоді як у людей білої раси близько 40% (швидше за все, колір шкіри негрів в еволюції не мав стосунку до теплообміну). Для довгохвильового випромінювання коефіцієнт поглинання наближений до 1.
 
Розрахунок теплообміну випромінюванням - дуже важке завдання. Для реальних тіл використовувати закон Стефана-Больцмана не можна, оскільки в них складніша залежність енергетичної світності від температури. Виявляється, вона залежить від температури, природи тіла, форми тіла і стану його поверхні. Зі зміною температури змінюється коефіцієнт  σ і показник степеня температури. Поверхня тіла людини має складну конфігурацію, людина носить одяг, який змінює випромінювання, на процес впливає поза, в якій перебуває людина.
 
Для сірого тіла потужність випромінювання в усьому діапазоні визначається за формулою: P = α_с.т.σ·T⁴·S   Вважаючи з певними наближеннями реальні тіла (шкіра людини, тканини одягу) близькими до сірих тіл, можна знайти формулу для обчислення потужності випромінювання реальними тілами за певної температури:  P = α·σ·T⁴·S За умов різних температур тіла, що випромінює, і довкілля: P = α·σ·(T₁⁴ - T₂⁴)·S
Існують особливості спектральної густини енергетичної світності реальних тіл: за 310К, що відповідає середній температурі тіла людини, максимум теплового випромінювання припадає на 9700нм. Будь-яка зміна температури тіла призводить до зміни потужності теплового випромінювання з поверхні тіла (0,1 градуса достатньо). Тому дослідження ділянок шкіри, пов'язаних через ЦНС з певними органами, сприяє виявленню захворювань, унаслідок яких температура змінюється досить значно (термографія зон Захар'їна-Геда).
 
Цікавий метод безконтактного масажу біополем людини (Джуна Давіташвілі). Потужність теплового випромінювання долоні 0,1Вт, а теплова чутливість шкіри 0,0001 Вт/см². Якщо діяти на вищезгадані зони, можна рефлекторно стимулювати роботу цих органів.

Тіло людини постійно випромінює і поглинає теплове випромінювання. Цей процес залежить від температур тіла людини й довкілля. Максимум ІЧ-випромінювання тіла людини припадає на 9300нм.
 
При малих і середніх дозах опромінення ІЧ-променями посилюються метаболічні процеси й прискорюються ферментативні реакції, процеси регенерації та репарації.
 
Унаслідок дії ІЧ-променів і видимого випромінювання в тканинах утворюються БАР (брадикінін, каллідин, гістамін, ацетилхолін, здебільшого вазомоторні речовини, які відіграють роль в здійсненні та регуляції місцевого кровотоку).
 
Унаслідок дії ІЧ-променів у шкірі активуються терморецептори, інформація від яких надходить у гіпоталамус, внаслідок чого розширюються судини шкіри, збільшується об'єм крові, що циркулює в них, посилюється потовиділення.
 
Глибина проникнення ІЧ-променів залежить від довжини хвилі, вологості шкіри, наповнення її кров'ю, ступеня пігментації тощо.
 
На шкірі людини під дією ІЧ-променів виникає червона еритема.
 
Застосовується в клінічній практиці для впливу на місцеву й загальну гемодинаміку, посилення потовиділення, розслаблення м'язів, зниження больового відчуття, прискорення розсмоктування гематом, інфільтратів тощо.
 
За умов гіпертермії посилюється протипухлинна дія променевої терапії - терморадіотерапія.
 
Основні показання до застосування ІЧ-терапії: гострі негнійні запальні процеси, опіки та обмороження, хронічні запальні процеси, виразки, контрактури, спайки, травми суглобів, зв'язок і м'язів, міозити, міалгії, невралгії. Основні протипоказання: пухлини, гнійні запалення, кровотечі, недостатність кровообігу.
 
Холод застосовується для зупинки кровотеч, знеболювання, лікування деяких захворювань шкіри. Загартовування веде до довголіття.
 
Під дією холоду знижується частота серцевих скорочень, артеріальний тиск, пригнічуються рефлекторні реакції.
 
У певних дозах холод стимулює загоєння опіків, гнійних ран, трофічних виразок, ерозій, кон'юнктивітів.
 
Кріобіологія - вивчає процеси, які відбуваються в клітинах, тканинах, органах та організмі під дією низьких, нефізіологічних температур.
 
У медицині використовуються кріотерапія і гіпертермія. Кріотерапія охоплює методи, засновані на дозованому охолодженні тканин, органів. Кріохірургія (частина кріотерапії) використовує локальне заморожування тканин з метою їх видалення (частина мигдалика. Якщо весь – кріотонзилектомія. Можна видаляти пухлини, наприклад, шкіри, шийки матки тощо) Кріоекстракція, заснована на кріоадгезії (прилипанні вологих тіл до замороженого скальпеля) – виділення з органа частини.
 
При гіпертермії можна якийсь час зберегти функції органів ін віво. Гіпотермію за допомогою наркозу використовують для збереження функції органів за відсутності кровопостачання, оскільки сповільнюється обмін речовин у тканинах. Тканини стають стійкими до гіпоксії. Застосовують холодовий наркоз.
 
Дію тепла здійснюють за допомогою ламп розжарювання (лампа Мініна, солюкс, ванна світлотеплова, лампа ІЧ-променів) із використанням фізичних середовищ, що мають високу теплоємність, погану теплопровідність і добру теплозберігальну здатність: грязі, парафін, озокерит, нафталін тощо.

Термографія, або тепловізія - це метод функціональної діагностики, заснований на реєстрації ІЧ-випромінювання тіла людини.
 
Існує 2 різновиди термографії:
 
- контактна холестерична термографія: у методі використовуються оптичні властивості холестеричних рідких кристалів (багатокомпонентні суміші складних ефірів та інших похідних холестерину). Такі речовини вибірково відбивають різні довжини хвиль, що дає змогу отримувати на плівках цих речовин зображення теплового поля поверхні тіла людини. На плівку спрямовують потік білого світла. Різні довжини хвиль по-різному відбиваються від плівки залежно від температури поверхні, на яку нанесено холестерик.
 
Під дією температури холестерики можуть змінювати колір від червоного до фіолетового. У результаті формується кольорове зображення теплового поля тіла людини, яке легко розшифрувати, знаючи залежність температура-колір. Існують холестерики, що дають змогу фіксувати різницю температур 0,1 градуса. Так, можна визначити межі запального процесу, осередки запальної інфільтрації на різних стадіях її розвитку.
 
В онкології термографія дає змогу виявити метастатичні вузли діаметром 1,5-2мм у молочній залозі, шкірі, щитоподібній залозі; в ортопедії та травматології оцінити кровопостачання кожного сегмента кінцівки, наприклад, перед ампутацією, визначити глибину опіку тощо; в кардіології та ангіології виявити порушення нормального функціонування ССС, порушення кровообігу при вібраційній хворобі, запаленні та закупорці судин; розширення вен тощо; у нейрохірургії визначити розташування осередків ушкодження провідності нерва, підтвердити місце нейропаралічу, спричиненого апоплексією; в акушерстві та гінекології визначити вагітність, локалізацію дитячого місця; діагностувати широкий спектр запальних процесів.
 
- Телетермографія – базується на перетворенні ІЧ-випромінювання тіла людини на електричні сигнали, які реєструються на екрані тепловізора або іншому записувальному пристрої. Метод безконтактний.
 
ІЧ-випромінювання сприймається системою дзеркал, після чого  ІЧ-промені спрямовуються на приймач ІЧ-хвиль, основну частину якого становить детектор (фотоопір, металевий або напівпровідниковий болометр, термоелемент, фотохімічний індикатор, електронно-оптичний перетворювач, п'єзоелектричні детектори тощо).
 
Електричні сигнали від приймача передаються на підсилювач, а потім – на керувальний пристрій, який слугує для переміщення дзеркал (сканування об'єкта), розігрівання точкового джерела світла ТДС (пропорційно тепловому випромінюванню), руху фотоплівки.  Щоразу плівка засвічується ТДС відповідно до температури тіла в місці дослідження.
 
Після керувального пристрою сигнал може передаватися на комп'ютерну систему з дисплеєм. Це дає змогу запам'ятовувати термограми, обробляти їх за допомогою аналітичних програм. Додаткові можливості надають кольорові тепловізори (близькі за температурою кольори позначити контрастними кольорами), провести ізотерми.