Санкт-Петербургский Государственный
Морской Технический Университет
РЕФЕРАТ
Дисциплина: физика
Тема: тепловидение
Руководитель: Скидан В. В.
Исполнитель: ст. гр. 12ТЭ1
Глебов Д. Ю.
Санкт-Петербург
2001ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Тепловидение, как областьприменения законов теплового излучения ст. 3
2. Основные понятия и определениятеории излучения. Закон Кирхгофа ст. 4
3. Классические законы тепловогоизлучения ст. 6
4. Понятие о квантах. Формула Планкаи выводиз нее классических законов как частных случаев ст. 8
5. Устройство тепловизоров ст. 10
6. Области применения методов тепловидения ст. 13
7. Применение тепловидения в медицине ст. 15
8. Некоторые применения тепловизионных устройств в промышленности ст. 17
1. Тепловидение, как область применения законов тепловогоизлучения
Тепловидение можно назватьуниверсальным способом получения различной информации об окружающем нас мире.Как известно, тепловое излучение имеет любое тело, температура которого отличнаот абсолютного нуля. Кроме того, подавляющее большинство процессовпреобразования энергии (а к ним относятся все известные процессы) протекает свыделением или поглощением тепла. Так как средняя температура на Земле невысока, большинство процессов проходят с малым удельным выделением тепла и принебольших температурах. Соответственно и максимумэнергии излучения таких процессов попадает в инфракрасный микроволновый диапазон. Инфракрасное излучение невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено различными приемниками теплового излучения и тем или иным способом преобразовано в видимое изображение
Тепловидение – это научно-техническое направление, изучающее физическиеосновы, методы и приборы (тепловизоры), обеспечивающие возможность наблюденияслабонагретых объектов.
2. Основные понятия и определения теории излучения. Закон Кирхгофа
Тепловым излучением называетсяэлектромагнитное излучение, испускаемое телом за счет его внутренней энергии.
Излучение характеризуетсядлиной волны λ и частотой ω. Эти величины связаны: λ=2πс/ω.
При изучении законов теплового излученияиспользуют модельную систему, в которой распределение энергии междутелом и излучением остается неизменным для каждой длины волны (или частоты).Такое состояние системы «тело – излучение» называется равновесным.
Энергетической светимостьютела R называется поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела по всемнаправлениям. Введем такие характеристики излучения, как
r (ω, Т) – испускательная способность тела,
а (ω, Т) – поглощательная способность тела.
В 1860 г. Густав Кирхгоф, один из первыхисследователей теплового излучения, сумел доказать, что отношениеиспускательной и поглощательной способностей тела не зависит от его природы, аявляется для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты итемпературы.
r/а = f (ω, Т)
или (r/а)1 = (r/а)2 = (r/а)n = f (ω, Т)
Одно из основных понятий тепловогоизлучения – абсолютно черное тело. Т.е. тело, которое поглощает всю, падающуюна него энергию, ни сколько энергии не отражает, а только излучает.Теоретическое объяснение законов излучения абсолютно черного тела имелоогромное значение в истории физики – именно оно привело к понятию о квантахэнергии.
/>
Модель абсолютно черного тела
Абсолютно черных тел в природе не существует.Есть вещества (например, сажа или платиновая чернь), поглощательная способностькоторых близка к единице, но только в некоторых частотах. Однако можно создатьустройство, сколь угодно близкое по своим свойствам к абсолютно черному телу.Это почти замкнутая полость с маленьким отверстием. Излучение, проникшее внутрьчерез отверстие, прежде чем выйти обратно, претерпевает многократные отражения.При каждом отражении часть энергии поглощается, в результате чего почти все излучениелюбой частоты поглощается такой полостью.
j (λ, Т),Вт/м3
/>/>/>/>
/>/>/>
/>/>/>/>
λ, м
Т1 > Т2 > Т3
Экспериментальныекривые зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от длиныволны и температуры.
Из рисунка следует, чтоэнергетическая светимость абсолютно черного тела сильно возрастает с температурой.максимум испускательной способности с увеличением температуры сдвигается в сторону более коротких волн.
Т.о., по закону Кирхгофа функциячастоты и температуры f(ω, Т) есть не что иное, как испускательнаяспособность абсолютно черного тела (r ч.т.).
r/а = f(ω, Т) а ч.т.≡1 r ч.т.= f(ω, Т)
3.Классические законы теплового излучения
Исследование равновесноготеплового излучения и поиск универсальной функции f(ω, Т) выступил на первый план в работах физиков конца XIX века.
К этим исследованиям относятсяработы Стефана и Больцмана, Рэлея и Джинса, Вина (классическая теория излучения)и Планка (квантовая).
В 1879 г. Йозеф Стефан,основываясь на экспериментах, решил, что энергетическая светимость любого телапропорциональна четвертой степени температуры. Однако через несколько летБольцман доказал, что это утверждение справедливо только для абсолютно черныхтел. Найденная ими зависимость получила названия закона Стефана-Больцмана.
R ч.т.= ∫ f(ω,T)·dω= σ·Т4, где σ экспериментально найденная константа.
σ = 5,670·10-8(Вт/м²·К)
Вилли Вин нашел зависимость температурыабсолютно черного тела от максимума спектра излучения (λmax). Оказалось, что сповышением температуры возрастает общая энергия излучения, а максимум спектраизлучения смещается в область меньших длин волн (высоких частот).
Т·λ max= const
(const = 2,898 10м·К – экспериментальное значение)
Этот закон называют закономсмещения Вина.
Вин также занимался поиском функцииспектрального распределения f(ω, Т) и нашел, что она должна иметь следующийвид: f(ω,T) = ω³F(ω/Т), где F – некоторая функция отношениячастоты к температуре. Как будет показано ниже, эта формула справедлива толькодля больших частот.
Введем понятие плотности равновесноготеплового излучения (u), т.е. энергии, испускаемой в данном интервале частот(от ω до ω+dω).
d u (ω,T)= f(ω,T) ·d ω
Рэлей и Джинс сделали попытку определить зависимостьплотности излучения u от ω и Т, исходя из теоремы классической статистики оравнораспределении энергии по степеням свободы. Они предположили, что на каждоеэлектромагнитное колебание приходится в среднем энергия, равная kТ: kТ/2 на электрическую и kТ/2 на магнитную энергию волны.
Они получили: /> /> />
Эта формула удовлетворительносоглашается с экспериментом только в области малых частот (инфракрасномспектре) и резко расходится в ультрафиолетовом спектре. Из их формулыследовало, что вследствие теплообмена каждое тело должно отдать всю своюэнергию излучению и охладиться до абсолютного нуля. Этот вывод был назван ультрафиолетовойкатастрофой.
Кривыезависимости испускательной способности φ(λ) абсолютно черного тела отдлины волны. Сплошная кривая получена экспериментально, штриховая криваяпостроена по формуле Рэлея-Джинса. Из графика видно, что при λ→0(ω→∞) r(ω,T)→∞.
С точки зрения классической теорииизлучения вывод формулы Рэлея-Джинса безупречен. Поэтому расхождение этойформулы с опытом указывало на существование каких-то закономерностей,несовместимых с представлениями классической физики.
4. Понятие о квантах. ФормулаПланка ивывод из нее классических законовкак частных случаев
19 октября 1900 года на заседаниифизического общества в Берлине Макс Планк предложил свою формулу, которая, какон считал, помогала устранить вышеописанные несоответствия.
Тогда он нашел ееполуэмпирическим путем, и только в процессе ее теоретического обоснованияобнаружил, что это уравнение справедливо только при допущении, что энергияможет излучаться и поглощаться не непрерывно, а лишь в известных неделимыхпорциях – квантах (квант энергии – «ε»; ε = ћω, где ћ – постоянная Планка; ћ =1,0546 ·10-3 Дж·с).
В отличие от классическогоосциллятора, энергия которого равна КТ, энергия квантового равна ћω/exp(ћω/КТ)– 1.
Итак, Планку удалось найти универсальную f(ω, Т),в точности согласующуюся с опытами:
/>
В качестве доказательстватого, что формула Планка является более общей, выведем из нее некоторыеклассические законы, как частные случаи.
1. Выведем законСтефана-Больцмана.
ћ/4π²с² — константа.Обозначим ее А.
Тогда для энергетической светимостичерного тела получаем:
R =/>=/>
(Энергетическая светимость абсолютно черного тела –это интеграл, т.е. предел суммы, по всем частотам).
Введем вместо ωбезразмерную величину x, равную ћω/kТ.
Тогда ω = kТx / ћ
dω = kТdx/ћ
ω³ =(kТx)³/ћ³
При подставлении получаем: R =/>
Так как интеграл – это пределсуммы (т.е. число), а Аk4/ћ4 — константа, то R~Т4,или R = σТ4 – закон который Стефан и Больцман нашлиэкспериментально в 1884 г. (Из таблицы определенных интегралов известнозначение интеграла в последнем выражении. Оно равно π4/15≈6,5).
2. При низких частотах и высоких температурахформула Планка переходит в формулу Рэлея-Джинса, которая, как уже отмечалось,согласуется с опытами только в инфракрасном спектре. При малыхчастотах(ω) и больших температурах (Т) ћω«kТ и ћω/kТ«1.
Обозначим ћω/kТ через x.
ех при разложении в ряд дает:
ех = 1+x+x²/2+…≈1+x
Тогда ех -1 = 1+x-1 =х (с точностью до величин первого порядка)
Подставим в формулу Планка сраскрытием х:
/> – формулаРэлея-Джинса.
3. При высоких частотах инизких температурах формула Планка переходит в закон Вина.
Так как ћω/kТ » 1, то ећω/kТ–1 ≈ ећω/kТ.
Пусть ћ/4π²с²=А, тогда
f (ω, Т)= А·ω³·е-ћω/kТ = ω³·F(ω/Т)– законВина.
Таким образом, формула Планка дает исчерпывающее описание равновесного теплового излучения.
5. Устройство тепловизоров
Инфракрасное излучение являетсянизкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучениясозданы специальные приборы — тепловизоры (термографы), позволяющие улавливатьэто излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину.Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В нихневидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, которыйподвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется ввидимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественнойоценки.Диапазон инфракрасногоизлучения делится на несколько фрагментов:
Длина волн (мкм)
Название
0.76-1.5 Ближнее инфракрасное излучение
1.5-5.5 Коротковолновое инфракрасное излучение
5.6-25 Длинноволновое инфракрасное излучение
25-100 Дальнее инфракрасное излучение Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны для обнаружения военных и промышленных объектов. Общий принцип устройства всехтепловизоров следующий:
/>
Инфракрасное излучение концентрируется системойспециальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителенк определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучениеприводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется иусиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровойобработке и это значение передается на блок отображения информации. Блокотображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значениюсигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране мониторапоявляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасногоизлучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковаяматрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимостиприбора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта.Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самыйраспространеннный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно,позволяет охладить детектор до низких температур,
но носить с собой сосуды дюара очень неудобно. Другой вид – посредствомэлементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос)при пропускании через них тока). Есть еще один вид «неохлаждаемых тепловизоров»,работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже,зато они намного мобильнее.
Таким образом, на экране тепловизора мы видим значениямощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора,отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).
Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb,ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.
6. Области применения методов тепловидения
Тепловидение нашло применениево многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяютсяв целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшнийдень созданы видеокамерыданного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера,чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельныхучастков поверхности) в несколько сотых градуса. Это значит, что если вы привходе в свою парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловойотпечаток будет виден на этой ручке целых полчаса. Даже дома при выключенномсвете вы будете светить как маяк даже через занавеску. В метро можно спокойноотличить людей, которые только что вошли. А наличие насморка у человека и занимался ли он чем-нибудь интересным до этого можно наблюдать на расстоянии внесколько сотен метров. О распознавании недавно выключенной машины или о том, кто и когда сидел на данном кресле даже нечего и говорить.
Перспективно использование тепловизоров для нахождениядефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установкеили узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения прикаком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение(теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только спомощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях пристарении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться большеэнергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта,не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с неочень высокой точностью, вызванной промежуточными конструкциями.
Таким образом,тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственныйконтроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы.Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло- и массообмена, атмосферных явлений становиться на порядки удобнее, проще,информативнее.
Широкое применениетепловидение нашло в медицине.
7. Применение тепловидения в медицине
В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощныйдиагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохоподдаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит длядиагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторыхслучаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспалениеи опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов,ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширениевен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондрози опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективноприменяется в акушерстве и педиатрии.
У здорового человека распределение температур симметрично относительносредней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критериемтепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокойили низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самыхранних стадиях их возникновения.
Термография — метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучениячеловеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностьюфизиологических процессов, происходящих в организме, в частности как вповерхностных, так и в глубоких органах. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенногоили пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое ипрогностическое значение, о чем свидетельствуют многочисленные клиническиеисследования.
Выделяют два основныхвида термографии:
1.Контактная холестерическая термография.
2.Телетермография.
Телетермография основанана преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора.
Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойствахолестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски врадужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим—синий.Нанесенные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочувствительностью в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярнойструктуры.
После рассмотрения различных методов тепловидения встает вопрос о способах интерпретациитермографического изображения. Существуют визуальный и количественный способыоценки тепловизионной картины.
Визуальная(качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры,форму и структуру очагов повышенного излучения, а также ориентировочно оцениватьвеличину инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно точное измерение температуры. Кроме того, сам подъем кажущейся температурыв термографе оказывается зависимым от скорости развертки и величины поля.Затруднения для клинической оценки результатов термографии заключаются в том,что подъем температуры на небольшом по площади участке оказываетсямалозаметным. В результате небольшой по размерам патологический очаг может необнаруживаться.
Радиометрический подходвесьма перспективен. Он предполагает использование самой современной техникии может найти применение для проведения массового профилактического обследования, получения количественной информации о патологических процессах висследуемых участках, а также для оценки эффективности термографии.
8. Некоторые применения тепловизионных устройств в промышленности
Энергетика
· состояние дымовых труб и газоходов
· состояние статоров генераторов
· проверка маслонаполненного оборудования
· теплоизоляция турбин, паро- и трубопроводов
· обнаружение мест присосов холодного воздуха
· контроль состояния теплотрассНефтегазовый комплекс
· проверка состояния электрооборудования
· контроль технологических линий
· поиск энергопотерь
· обнаружение утечек из газопроводов
· предотвращение пожаровЭнергосбережение
· диагностика ограждающих конструкций
· обнаружение теплопотерь во внутренних помещениях и снаружи зданий и сооружений
· определение теплоизоляционных свойств материаловХимическая промышленность
· проверка герметичности и изоляции емкостей для хранения различных жидкостей и газовМашиностроение
· контроль подшипников, зубчатых передач, валов, муфт и т. д.
· обнаружение несосности оборудования
· контроль температурных режимов сварки
· термоэластический анализ напряженийМикроэлектроника
· контроль качества сборки печатных платАвтомобильная промышленность
· проектирование климатических систем автомобиля
· контроль за ультразвуковой сваркой амортизаторов
· разработка и проверка дисковых тормозов
· контроль теплообменных процессов в радиаторах, двигателях и выхлопных системахСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. «Большая советская энциклопедия»т. 25.-М., Советская энциклопедия, 1976
2. Госсорг Ж. «Инфракраснаятермография. Основы, техника, применение».-М., Мир, 1988
3. Савельев И. В. «Курс общей физики» т. 3. — М., Наука, 1989
4. «Справочник по инфракрасной технике» т. 1.-М., Мир, 1995