Интенсивность теплового излучения (Вт/м 2) определяется с помощью измерителя плотности теплового потока ИПП–2.
Измеритель ИПП-2 предназначен для измерений по ГОСТ 25380-82 интенсивности теплового потока, проходящего через обмуровку и теплоизоляцию энергообъектов. В комплект с прибором входит преобразователь плотности теплового потока с датчиком на пружине ПТП–Х–П (рис. 3а) и зонд для измерения температуры поверхности (рис. 3б).
Рис. 3.3а. Зонд для измерения плотности теплового потока
с пружиной (ПТП-Х-П)
Рис. 3.3б. Зонд для измерения температуры поверхности
Конструктивно прибор ИПП-2 (рисунок 4) выполнен в пластмассовом корпусе. На передней панели блока располагаются кнопки В и », а на боковой поверхности располагаются разъёмы для подключения прибора к компьютеру и сетевого адаптера. На верхней панели расположен разъем для подключения первичного преобразователя плотности теплового потока или температуры.
Рис. 3.4. Внешний вид прибора ИПП-2:
1 – индикация режимов работы аккумулятора; 2 – индикация нарушения порогов; 3 – кнопка » ; 4 – кнопка В; 5 – разъём подключения первичного преобразователя; 6 – светодиодный четырехразрядный семисегментный индикатор; 7 – разъем для подключения к компьютеру; 8 – разъем для подключения сетевого адаптера
Функционирование прибора осуществляется в одном из режимов: РАБОТА и НАСТРОЙКА.
Режим РАБОТА. Является основным эксплуатационным режимом. В данном режиме производится циклическое измерение выбранного параметра. Кратковременным нажатием кнопки » осуществляется переход между режимами измерения плотности теплового потока и температуры, а также индикации заряда аккумуляторов в процентах 0...100%. Нажатием кнопки » в течение двух секунд осуществляется переход прибора в режим «SLEEP», в этом режиме прибор гасит светодиодную индикацию, но продолжает измерения температуры и запись статистики. Выход из режима «SLEEP» производится нажатием любой кнопки. Нажатием кнопки В в течение двух секунд осуществляется переход прибора в режим НАСТРОЙКА. Кратковременное нажатие кнопки В выключает/включает прибор. В выключенном состоянии прибор прекращает измерения и запись автоматической статистики, при этом все настройки работы прибора и часов реального времени сохраняются. В режиме РАБОТА прибор может производить периодическую автоматическую запись измеренных значений в энергонезависимую память с привязкой ко времени. Схема режима РАБОТА приведена на рисунке 5.
Рис. 3.5. Схема режима РАБОТА
Светодиодная индикация в режиме РАБОТА. Светодиод 1 (рис. 3.4) характеризует состояние аккумуляторной батареи. В режиме заряда при подключенном сетевом адаптере светодиод горит постоянно до состояния 100% зарядки, затем гаснет. В режиме работы с отключенным сетевым адаптером светодиод погашен, и в случае если батарея заряжена менее чем на 10%. Светодиод 2 (рис. 3.4) миганием информирует о нарушении порогов. В режиме «SLEEP» мигает точка в четвертом разряде семисегментного индикатора.
Режим НАСТРОЙКА. Предназначен для задания и записи в энергонезависимую память прибора требуемых при эксплуатации рабочих параметров измерения. Заданные значения параметров сохраняются в памяти прибора при отсутствии питания (исключение составляют дата/время). Общая схема режима НАСТРОЙКА приведена на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Общая схема работы режима НАСТРОЙКИ
Данный режим позволяет настроить два порога, имеющиеся в приборе, по одному на каждый параметр. Пороги - это верхняя или нижняя границы допустимого изменения соответствующей величины. При превышении измеряемой температуры верхнего порогового значения или снижении ниже нижнего порогового значения прибор обнаруживает это событие и на индикаторе загорается светодиод 2 (рис. 3.4). Нарушение порогов также сопровождается звуковым сигналом.
1. Характеристики теплового излучения.
2. Закон Кирхгофа.
3. Законы излучения черного тела.
4. Излучение Солнца.
5. Физические основы термографии.
6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета.
7. Основные понятия и формулы.
8. Задачи.
Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам - это тепловое излучение.
Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.
Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. Характерной чертой теплового излучения является сплошной спектр.
Интенсивность излучения и спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение. Например, тела, нагретые до высокой температуры, значительную часть энергии испускают в видимом диапазоне, а при комнатной температуре почти вся энергия испускается в инфракрасной части спектра.
26.1. Характеристики теплового излучения
Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами.
Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела.
Фактически, это мощность теплового излучения. Размерность потока излучения - [Дж/с = Вт].
Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела:
Размерность этой характеристики - [Вт/м 2 ].
И поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).
Распределение энергетической светимости по спектру теплового излучения характеризует ее спектральная плотность. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемого единичной поверхностью за 1 с в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ, через dRe.
Спектральной плотностью энергетической светимости (r) или испускательной способностью называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (d λ):
Примерный вид спектральной плотности и энергетичекая светимость (dRe) в интервале волн от λ до λ + dλ, показаны на рис. 26.1.
Рис. 26.1.
Спектральная плотность энергетической светимости
Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела. Знание этой зависимости позволяет рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн:
Тела
не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность
тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры
и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощения
α.
Пусть на поверхность тела падает поток монохроматического излучения Φ λ с длиной волны λ. Часть этого потока отражается, а часть поглощается телом. Обозначим величину поглощенного потока Φ λ погл.
Монохроматическим коэффициентом поглощения α λ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:
Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.
Функция α = α(λ,Τ), выражающая зависимость монохроматического коэффициента поглощения от длины волны и температуры, называется поглощательной способностью тела. Ее вид может быть весьма сложным. Ниже рассмотрены простейшие типы поглощения.
Абсолютно черное тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.
По своим поглощательным свойствам к абсолютно черному телу близки сажи, черный бархат, платиновая чернь. Очень хорошей моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием (O). Стенки полости зачернены рис. 26.2.
Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок поглощается практически полностью. Подобные устройства
Рис. 26.2.
Модель абсолютно черного тела
применяют в качестве световых эталонов, используют при измерениях высоких температур и т.п.
Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела обозначается ε(λ,Τ). Эта функция играет важнейшую роль в теории теплового излучения. Ее вид сначала был установлен экспериментально, а затем получен теоретически (формула Планка).
Абсолютно белое тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.
Истинно белых тел в природе нет, однако существуют тела, близкие к ним по свойствам в достаточно широком диапазоне температур и длин волн. Например, зеркало в оптической части спектра отражает почти весь падающий свет.
Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.
Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн и температур. Например, «серой» (α = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.
26.2. Закон Кирхгофа
Количественная связь между излучением и поглощением установлена Г. Кирхгофом (1859).
Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:
Отметим некоторые следствия этого закона.
1. Если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Действительно, если для
26.3. Законы излучения черного тела
Законы излучения абсолютно черного тела были установлены в следующей последовательности.
В 1879 г. Й. Стефан экспериментально, а в 1884 г. Л. Больцман теоретически определили энергетическую светимость абсолютно черного тела.
Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:
Значения коэффициентов поглощения для некоторых материалов приведены в табл. 26.1.
Таблица 26.1. Коэффициенты поглощения
Немецкий физик В. Вин (1893) установил формулу для длины волны, на которую приходится максимум испускательной способности
абсолютно черного тела. Соотношение, которое он получил, было названо его именем.
При повышении температуры максимум испускательной способности смещается
влево (рис. 26.3).
Рис. 26.3.
Иллюстрация закона смещения Вина
В табл. 26.2 указаны цвета в видимой части спектра, соответствующие излучениям тел при различных температурах.
Таблица 26.2. Цвета нагретых тел
Используя
законы Стефана-Больцмана и Вина, можно определить температуры тел
посредством измерения излучения этих тел. Например, так определяют
температуру поверхности Солнца (~6000 К), температуру в эпицентре взрыва
(~10 6 К) и т.д. Общее название этих методов - пирометрия.
В 1900 г. М. Планк получил формулу для расчета испускательной способности абсолютно черного тела теоретически. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений о непрерывности процесса излучения электромагнитных волн. По представлениям Планка, поток излучения состоит из отдельных порций - квантов, энергии которых пропорциональны частотам света:
Из формулы (26.11) можно теоретически получить законы Стефана-Больцмана и Вина.
26.4. Излучение Солнца
В пределах Солнечной системы Солнце - самый мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Солнечное излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия), используется как средство закаливания. Оно же может оказывать и негативное воздействие на организм (ожог, тепловой
Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и у поверхности Земли различны (рис. 26.4).
Рис. 26.4.
Спектр солнечного излучения: 1 - на границе атмосферы, 2 - у поверхности Земли
На границе атмосферы спектр Солнца близок к спектру абсолютно черного тела. Максимум испускательной способности приходится на λ 1max = 470 нм (синий цвет).
У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. В частности, в нем отсутствует высокочастотная часть ультрафиолетового излучения, губительная для живых организмов. Эти лучи практически полностью поглощаются озоновым слоем. Максимум испускательной способности приходится на λ 2max = 555 нм (зелено-желтый), что соответствует наилучшей чувствительности глаз.
Поток теплового излучения Солнца на границе земной атмосферы определяет солнечная постоянная I.
Поток,
достигающий земной поверхности, значительно меньше вследствие
поглощения в атмосфере. При самых благоприятных условиях (солнце в
зените) он не превышает 1120 Вт/м 2 . В Москве в момент летнего солнцестояния (июнь) - 930 Вт/м 2 .
От высоты Солнца над горизонтом самым существенным образом зависит как мощность солнечного излучения у земной поверхности, так и его спектральный состав. На рис. 26.5 приведены сглаженные кривые распределения энергии солнечного света: I - за пределами атмосферы; II - при положении Солнца в зените; III - при высоте 30° над горизонтом; IV - при условиях, близких к восходу и закату (10° над горизонтом).
Рис. 26.5.
Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом
Различные составляющие солнечного спектра по-разному проходят через земную атмосферу. На рисунке 26.6 показана прозрачность атмосферы при большой высоте стояния Солнца.
26.5. Физические основы термографии
Тепловое излучение человека составляет существенную долю его тепловых потерь. Излучательные потери человека равны разности испущенного потока и поглощенного потока излучения окружающей среды. Мощность излучательных потерь рассчитывается по формуле
где S - площадь поверхности; δ - приведенный коэффициент поглощения кожи (одежды), рассматриваемой как серое тело; Т 1 - температура поверхности тела (одежды); Т 0 - температура окружающей среды.
Рассмотрим следующий пример.
Рассчитаем мощность излучательных потерь раздетого человека при температуре окружающей среды 18°С (291 К). Примем: площадь поверхности тела S = 1,5 м 2 ; температура кожи Т 1 = 306 К (33°С). Приведенный коэффициент поглощения кожи найдем по табл. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 Вт/м 2 К 4). Подставив эти значения в формулу (26.11), получим
Р = 1,5*5,1*10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 Вт.
Рис. 26.6.
Прозрачность земной атмосферы (в процентах) для различных участков спектра при большой высоте стояния Солнца.
Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.
Термография - диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков.
Распределение температуры на небольшом участке поверхности тела можно определить с помощью специальных жидкокристаллических пленок. Такие пленки чувствительны к небольшим изменениям температуры (меняют цвет). Поэтому на пленке возникает цветной тепловой «портрет» участка тела, на который она наложена.
Более совершенный способ состоит в использовании тепловизоров, преобразующих инфракрасное излучение в видимый свет. Излучение тела с помощью специального объектива проецируется на матрицу тепловизора. После преобразования на экране формируется детальный тепловой портрет. Участки с различными температурами отличаются цветом или интенсивностью. Современные методы позволяют фиксировать различие в температурах до 0,2 градуса.
Тепловые портреты используются в функциональной диагностике. Различные патологии внутренних органов могут образовывать на поверхности кожные зоны с измененной температурой. Обнаружение таких зон указывает на наличие патологии. Термографический метод облегчает дифференциальный диагноз между доброкачественными и злокачественными опухолями. Этот метод является объективным средством контроля за эффективностью терапевтических методов лечения. Так, при термографическом обследовании больных псориазом было установлено, что при наличии выраженной инфильтрации и гиперемии в бляшках отмечается повышение температуры. Снижение температуры до уровня окружающих участков в большинстве случаев свидетельствует о регрессии процесса на коже.
Повышенная температура часто является показателем инфекции. Чтобы определить температуру человека, достаточно взглянуть через инфракрасное устройство на его лицо и шею. Для здоровых людей отношение температуры лба к температуре в области сонной артерии лежит в диапазоне от 0,98 до 1,03. Это отношение и можно использовать при экспресс-диагностике во время эпидемий для проведения карантинных мероприятий.
26.6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета
Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение находят широкое применение в медицине. Напомним диапазоны их длин волн:
Светолечением
называют применение в лечебных целях инфракрасного и видимого излучений.
Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) в месте своего поглощения вызывают выделение теплоты. Глубина проникновения инфракрасных и видимых лучей в кожу показана на рис. 26.7.
Рис. 26.7.
Глубина проникновения излучения в кожу
В лечебной практике в качестве источников инфракрасного излучения используются специальные облучатели (рис. 26.8).
Лампа Минина представляет собой лампу накаливания с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.
Светотепловая ванна представляет собой полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой. На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт. В таких ваннах на биологический объект действуют инфракрасное и видимое излучения, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.
Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания, помещенную в специальный рефлектор на штативе. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2 800°С, максимум излучения приходится на длину волны 2 мкм).
Рис. 26.8. Облучатели: лампа Минина (а), светотепловая ванна (б), лампа Соллюкс (в)
Лечебное применение ультрафиолета
Ультрафиолетовое излучение, применяемое в медицинских целях, подразделяют на три диапазона:
При поглощении ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.
В качестве источников излучения используют лампы высокого давления (дуговые, ртутные, трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы.
А-излучение оказывает эритемное и загарное действие. Оно используется при лечении многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. Совместное применение данных препаратов с А-излучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р - псорален; UVA - ультрафиолетовое излучение зоны А). Облучению подвергают часть или все тело.
В-излучение оказывает ватиминообразующее, антирахитное действие.
С-излучение оказывает бактерицидное действие. При облучении происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. С-излучение создается специальными бактерицидными лампами (рис. 26.9).
Некоторые лечебные методики используют С-излучение для облучения крови.
Ультрафиолетовое голодание. Ультрафиолетовое излучение необходимо для нормального развития и функционирования организма. Его недостаток приводит к возникновению ряда серьезных заболеваний. С ультрафиолетовым голоданием сталкиваются жители крайнего
Рис. 26.9.
Бактерицидный облучатель (а), облучатель для носоглотки (б)
Севера, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, жители крупных городов. В городах недостаток ультрафиолета связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими УФ-часть солнечного спектра. Окна помещений не пропускают УФ-лучи с длиной волны λ < 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).
Вредность ультрафиолетового облучения
Воздействие избыточных доз ультрафиолетового облучения на организм в целом и на отдельные его органы приводит к возникновению ряда патологий. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз - развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвы-
ми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой (кератит) и слизистой (конъюнктивит) оболочек глаза. Этот эффект обусловлен лучами с длиной волны меньше 310 нм. Необходимо защищать глаз от таких лучей. Особо следует рассмотривать бластомогенное действие УФ-радиации, приводящее к развитию рака кожи.
26.7. Основные понятия и формулы
Продолжение таблицы
Окончание таблицы
26.8. Задачи
2.
Определить,
во сколько раз отличаются энергетические светимости участков
поверхности тела человека, имеющих температуры 34 и 33°С соответственно?
3.
При
диагностике методом термографии опухоли молочной железы пациентке дают
выпить раствор глюкозы. Через некоторое время регистрируют тепловое
излучение поверхности тела. Клетки опухолевой ткани интенсивно поглощают
глюкозу, в результате чего их теплопродукция возрастает. На сколько
градусов при этом меняется температура участка кожи над опухолью, если
излучение с поверхности возрастает на 1% (в 1,01 раза)? Начальная
температура участка тела равна 37°С.
6.
Насколько
увеличилась температура тела человека, если поток излучения с
поверхности тела возрос на 4%? Начальная температура тела равна 35°С.
7.
В
комнате стоят два одинаковых чайника, содержащие равные массы воды при
90°С. Один из них никелированный, а другой темный. Какой из чайников
быстрее остынет? Почему?
Решение
По закону Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей одинаково у всех тел. Никелированный чайник отражает почти весь свет. Следовательно, его поглощательная способность мала. Соответственно мала и испускательная способность.
Ответ: быстрее остынет темный чайник.
8. Для уничтожения жучков-вредителей зерно подвергают действию инфракрасного облучения. Почему жучки погибают, а зерно нет?
Ответ: жучки имеют черный цвет, поэтому интенсивно поглощают инфракрасное излучение и гибнут.
9. Нагревая кусок стали, мы при температуре 800°С будем наблюдать яркое вишнево-красное каление, но прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится. Почему?
Решение
См. задачу 7. Прозрачное тело поглощает малую часть света. Поэтому и его испускательная способность мала.
Ответ: прозрачное тело практически не излучает, даже будучи сильно нагретым.
10. Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись в клубок?
Ответ: при этом уменьшается открытая поверхность тела и соответственно уменьшаются потери на излучение.
Тепловое излучение - этоэлектромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счёт его внутренней энергии.
Оно обуславливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения колеблющихся ионов.
Интенсивность излучения и его спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому тепловое излучение не всегда воспринимается глазом.
Тело. Нагретое до высокой температуры значительную часть энергии испускает в видимом диапазоне, а при комнатной температуры- энергия испускается в инфракрасной части спектра.
По международным стандартам различают 3 области инфракрасного излучения:
1. Инфракрасная область А
λ от 780 до 1400 нм
2. Инфракрасная область В
λ от 1400 до 3000 нм
3. Инфракрасная область С
λ от 3000 до 1000000 нм.
Особенности теплового излучения.
1. Тепловое излучение- это универсальное явление присущее всем телам и происходящее при температуре отличной от абсолютного нуля (- 273 К).
2. Интенсивность теплового излучения и спектральный состав зависят от природы и температуры тел.
3. Тепловое излучение является равновесным, т.е. в изолированной системе при постоянной температуре тела излучают за единицу времени с единицы площади столько энергии, сколько получают извне.
4. Наряду с тепловым излучением все тела обладают способностью поглащать тепловую энергию извне.
2 . Основные характеристики поглощения .
1. Лучистая энергия W (Дж)
2. Лучистый поток Р = W/t (Вт)
(Поток излучения)
3. Излучательная способность (энергитическая светимость)- это энергия электромагнитного излучения, излучаемая по всем возможным направлениям за единицу времени с единицы площади при данной температуре
RT= W/St (Вт/м2)
4. Поглощательная способность (коэффициент поглощения) равен отношению лучистого потока, поглощенного данного тела к лучистому потоку, упавшему на тело при данной температуре.
αт = Рпогл / Рпад.
3. Тепловые излучатели и их характеристика.
Понятие абсолютно чёрного тела.
Тепловые излучатели- это технические устройства для получения теплового лучистого потока. Каждый тепловой источник характеризуется излучательной способностью, поглащательной способностью, температурой излучательного тела, спектральным составом излучения.
В качестве стандарта введено понятие абсолютно чёрного тела (а.ч.т.)
При прохождении света через вещество, лучистый поток частично отражается, частично поглащается, рассеивается и частично проходит через вещество.
Если тело полностью поглощает падающий на него световой поток, то его называют абсолютно чёрное тело.
Для всех длин волн и при любых температурах коэффициент поглощения α=1. Абсолютно чёрного тела в природе нет, но можно указывать на тело близкое к нему по своим свойствам.
Модельно а.ч.т. является полость с очень малым отверстием стенки которого зачернены. Луч, попавший в отверстие после многократных отражений от стенок, будет поглощён практически полностью.
Если нагреть такую модель до высокой температуры, то отверстие будет светиться, такое излучение называется чёрным излучением. К а.ч.т. близки поглощательные свойства чёрного бархата.
α для сажи = 0,952
α для чёрного бархата = 0,96
Примером служит зрачок глаза, глубокий колодец и т.д.
Если α=0, то это обсолютно зеркальная поверхность. Чаще α находится в пределах от 0 до 1, такие тела называются серыми.
У серых тел коэффициент поглощения зависит от длины волны, падающего излучения и в значительной степени от температуры.
4. Законы теплового излучения и их характеристика
1. Закон Киркгофа :
отношение излучательной способности тела к поглощательной способности тела при одинаковой температуре и при одинаковой длине волны есть величина постоянная.
2. Закон Стефана-Больцмана :
излучательная способность а.ч.т. пропорциональначетвёртой степени его абсолютной температуры.
δ- постоянная Стефана-Больцмана.
δ=5,669*10-8 (Вт/ м2*К4)
W=Pt=RTSt= δStT4
Т-температура
При увеличении температуры (Т) мощность излучения растёт очень быстро.
При увеличении времени (t) до 800 мощность излучения увеличится в 81 раз.
7.1. Включается источник теплового излучения. Интенсивность теплового излучения измеряется актинометром , для чего открывается крышка с тыльной стороны актинометра и направляется в сторону источника тепла. Замеры осуществляются при отсутствии защитного экрана, поочередно с одним, двумя, тремя рядами цепей и с экраном из оргстекла. Продолжительность каждого замера – не менее 30 секунд.
7.2. Результаты измерений записываются в 3-й столбец таблицы 2 отчета, в 4-й столбец таблицы записываются значения интенсивности теплового излучения, переведенные в Вт/м 2 (1 кал/см 2 мин = 70 Вт/м 2).
7.3. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 допустимая величина интенсивности теплового излучения составляет:
35 Вт/м2 – при облучении поверхности тела 50% и более
70 Вт/м2 – при облучении поверхности тела от 25 до 50%
100 Вт/м2 – при облучении поверхности тела не более 25%
Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло и др.) не должна превышать 140 Вт/м 2 , при этом облучению не должно подвергаться более 25 % поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.
7.4.Делаются выводы:
о необходимой защите (виде экрана) работника в соответствии с заданной долей площади поверхности облучения;
об эффективности защитных экранов.
8.Общие теоретические сведения.
Метеорологические условия (микроклимат) являются важным фактором, оказывающим влияние на здоровье и работоспособность человека.
Нормируемые параметры микроклимата - это температура, относительная влажность, скорость движения воздуха и в некоторых производствах - интенсивность теплового излучения.
В цехах промышленных предприятий технологические процессы по выплавке и обработке металлов, по переработке и обработке лубяных волокон древесины, при обработке пряж и других материалов сопровождаются большими выделениями тепла, в результате чего значительно повышается температура воздуха рабочей зоны.
Нередко вблизи источников нагрева (нагревательные печи, сушилки и др.) рабочие подвергаются тепловому излучению.
Интенсивность теплового излучения - количество лучистого тепла (в калориях), падающего на 1 см 2 облучаемой поверхности за одну минуту (обозначается в кал/см 2 мин) или количество лучистого тепла (в килокалориях), падающего на 1 м 2 облучаемой - поверхности за 1час (обозначается в ккал/м 2 ч), которое также может оцениваться в Вт/м 2 .
Некоторые цеха (например, прядильные мокрого прядения, ткацкие, бельно-отделочные и др.) характеризуется высокой влажностью воздуха, причем в ткацких цехах она создается искусственно, для улучшения технологического процесса.
Повышенная подвижность воздуха иногда вызывает неприятные ощущения у рабочих, а сквозняки нередко являются причиной простудных заболеваний. Неблагоприятный микроклимат вызывает переутомление, понижение скорости реакции, скованность движений, что приводит к снижению сопротивляемости организма вредным воздействиям среды и к повышению опасности травмирования.
Благоприятные метеорологические условия являются важной предпосылкой для предупреждения заболеваемости, травматизма и способствуют повышению работоспособности, что приводит к росту производительности труда.
В связи с вышеизложенным, обеспечение оптимальных параметров микроклимата в рабочей зоне производственных помещений является важной задачей руководителей промышленных предприятий.
С физической точки зрения человек представляет собой «нагретое» до определенной температуры влажное тело. При усвоении продуктов питания в организме человека протекают биохимические процессы, сопровождающиеся выделением тепла. В состоянии покоя в теле человека образуется около 80 ккал/ч (93 Дж/с) тепла. При выполнении человеком работы (особенно физической) в зависимости от степени ее тяжести выделяется тепла 250-400 ккал/ч (290-464 Дж/с) и более.
В связи с тем, что на полезную работу затрачивается в среднем 15-20 % тепла, то количество тепла, образующегося в теле человека во время физического труда, в несколько раз больше теплового эквивалента производимой им работы. Однако для человека является необходимым условием, чтобы величина теплообразования в теле всегда была равна величине теплоотдачи (этим и объясняется постоянство температуры человеческого тела). Способность человеческого организма сохранять температуру тела на почти постоянном уровне при довольно значительных колебаниях температуры окружающей среды носит название терморегуляции .
Если этот тепловой баланс нарушается, то в случае недостаточной теплоотдачи наступает перегрев человеческого тела, а в случае избыточной теплопотери - переохлаждение. И то и другое приводит к нарушению нормального самочувствия и к снижению работоспособности.
Воздействие высокой температуры воздуха на организм человека, особенно в сочетании с высокой влажностью или тепловым излучением, может вызвать нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы за счет обеднения организма водой. Потеря жидкости может достичь 5-8 литров в смену. Кровь при этом сгущается, становится более вязкой, нарушается питание тканей и органов; в легких случаях ухудшается самочувствие, а в тяжелых - наступают острые болезненные расстройства, называемые тепловым ударом.
Кроме того, лучистое тепло, воздействуя на зрение, может вызывать серьезные заболевания глаз – катаракту.
Тепло, образующееся в теле человека, отдается в окружающую среду тремя путями: излучением, конвекцией и испарением пота.
Эффективность отдачи организмом тепла зависит от температуры, относительной влажности и скорости движения окружающего воздуха.
С физиологической точки зрения совокупность перечисленных параметров окружающей среды должна быть такой, чтобы достигнутое тепловое равновесие соответствовало зоне хорошего самочувствия человека, зоне комфорта , т.е. чтобы отдача избыточного тепла происходила с наименьшими затратами энергии.
Микроклимат считается комфортным, если параметры температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха соответствуют оптимальным нормам.
Оптимальные (комфортные) метеорологические условия в цехах должны обеспечиваться системами кондиционирования воздуха.
В качестве мер борьбы против тепловой радиации применяется теплоизоляция, экранирование, устройство водяных завес и устройство воздушных душей.
1. За счет каких процессов образуется тепло в организме человека? Каким путем организм теряет большую часть тепла?
Образование тепла в организме человека происходит за счет окислительных реакций и сокращения мышц, а также поглощения тепла получаемого извне от оборудования, нагретых веществ, ламп накаливания и др.
Большую часть тепла организм теряет за счёт теплового излучения (до 60%).
2. Какими способами происходит отдача тепла организмом человека?
Отдача тепла организмом в окружающую среду осуществляется путем конвекции в результате нагревания воздуха, омывающего поверхность тела, (примерно 30 %), испарения влаги (пота) с поверхности кожи (в среднем 20 – 29 %), теплового излучения на окружающие предметы, имеющие более низкую чем кожа температуру поверхности (до 60 %).
3. От каких параметров зависит величина интенсивности теплового излучения на рабочем месте? Указать единицу измерения интенсивности.
Интенсивность теплового излучения Q (Вт/м2) на рабочем месте можно рассчитать по формуле: , где F – площадь излучающей поверхности источника, м2; T ° – температура излучающей поверхности, К; l – расстояние от излучающей поверхности до работающего, м. Единица измерения – Вт/м².
4. От какого параметра излучения зависит глубина его проникновения в живую ткань? Воздействие излучения на какие органы наиболее опасно?
Зависит от длины волны. Лучи длинноволнового диапазона ИК – излучения (от 3 мкм до 1 мм) задерживаются в поверхностных слоях кожи уже на глубине 0,1 – 0,2 мм. Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) обладают способностью проникать в ткани организма на несколько сантиметров.
Клетки головного мозга, лёгкие, почки, мышцы.
5. Какой диапазон ИК-излучения при облучении вызывает более тяжелые последствия?
Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) легко проникают через кожу и черепную коробку в мозговую ткань и могут воздействовать на клетки головного мозга, вызывая его тяжелые поражения.
6. Какое специфическое заболевание может вызвать нарушение терморегуляции? Каковы симптомы этого заболевания?
ИК-излучение может привести к специфическому заболеванию – тепловому удару , проявляющегося в головной боли, головокружении, учащении пульса, ускорении дыхания, падении сердечной деятельности, потере сознания и др.
7. Какое профессиональное заболевание может вызвать длительное тепловое облучение? Какой диапазон ИК-излучения при этом наиболее опасен?
При длительном облучении глаз у работников развивается профессиональное заболевание – катаракта (помутнение хрусталика). Лучи коротковолнового диапазона ИК – излучения (от 0,78 до 1,4 мкм) наиболее опасны.
8. Через величину какой характеристики оценивается действие теплового излучения на человека? Указать единицу ее измерения.
Действие теплового излучения на человека оценивается через величину, названную интенсивностью теплового облучения , Вт/м 2 .
9. От каких факторов зависит эффект воздействия теплового излучения?
Тепловой эффект воздействия облучения зависит от множества факторов:
1)температуры источника излучения, 2) интенсивности теплового излучения на рабочем месте, 3) спектра излучения, 4) площади излучающей поверхности, 5) расстояния между излучающей поверхностью и телом человека, 6) размера облучаемого участка тела, 7) длительности облучения, 8) одежды и т.п.
10. В каких случаях будет более тяжелым эффект воздействия теплового излучения?
Чем больше величина облучаемой поверхности, чем продолжительнее период облучения и чем ближе облучаемый участок организма к важным жизненным органам, тем тяжелее эффект воздействия.
11. Что такое терморегуляция? Какова функция данного механизма?
Регулирование теплообмена осуществляется путем изменения количества вырабатываемого в организме тепла и путем увеличения или уменьшения его передачи в окружающую среду за счет соответствующих реакций одного из основных механизмов приспособления – терморегуляции.
Терморегуляция – совокупность физиологических процессов, обеспечивающих постоянство температуры тела человека в допустимых физиологических границах 36,4 – 37,5 °С. Данный диапазон температур внутренних органов человека наиболее благоприятен для протекания в организме биохимических реакций и деятельности мозга.
12. При тепловом облучении допустимые значения какого параметра и в зависимости от какого фактора устанавливаются ГОСТ 12.1.005 – 88?
Допустимая интенсивность теплового облучения работающих в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями (ГОСТ 12.1.005 – 88) устанавливается в зависимости от площади облучаемой поверхности тела .
13. Какими способами обеспечивается защита работников от перегревания? Какой из способов является наиболее распространенным?
Способы обеспечения защиты работников от перегревания:
1) дистанционное управление ходом технологического процесса, 2) использование защитных экранов, 3) водяных и воздушных завес, 4) воздушное душирование, 5) применение спецодежды и средств индивидуальной защиты, 6) оборудование комнат или кабин для кратковременного отдыха с подачей в них кондиционированного воздуха.
14. Какие из исследуемых экранов являлись теплоотражающими? Из каких других материалов изготавливают такие экраны?
Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверхностей, вследствие чего они значительную часть падающей на них лучистой энергии отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов в конструкции экранов используют альфоль (ал. фольга), листовой алюминий, оцинкованную сталь, алюминиевую краску.
15. Какие из исследуемых экранов являлись теплопоглощающими? Из каких других материалов изготавливают такие экраны?
Теплопоглощающие экраны изготавливают из материалов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов применяют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, брезент, шлаковату.
16. Что используют на производстве в качестве теплоотводящих экранов?
В качестве теплоотводящих экранов используются водяные завесы, свободно падающие в виде пленки или орошающие другую экранирующую поверхность, либо заключенные в специальный кожух из стекла или металла змеевики с принудительно циркулирующей в них холодной водой.
