Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 7. Випромінювання

Основа нашого життя — обмін енергією. Здебільшого енергія потрапляє на Землю від Сонця (рис. 7.1). Листя, що розпускається навесні під сонячним промінням, вітри й течії, які виникають унаслідок різниці температур прогрітих Сонцем ділянок Землі, «використовують» сонячну енергію сьогодення. А такі джерела теплової енергії, як нафта, газ, вугілля, «виросли» під сонячними променями глибокої давнини. Але як енергія від Сонця потрапляє на Землю, адже між цими космічними об’єктами практично немає молекул, тобто ані про теплопровідність, ані про конвекцію не може бути й мови?

Рис. 7.1. Сонце щосекунди випромінює в навколишній простір колосальну кількість енергії, певна частина якої потрапляє на Землю

1. Знайомимося з випромінюванням

Якщо розміститися біля відкритого вогню (багаття, пічки тощо), можна відчути, що обличчя та інші ділянки тіла нагріваються. Це означає, що від вогню передається певна кількість теплоти.

А як передається ця енергія?

Ми спостерігаємо, що язики полум’я піднімаються (якщо це багаття) чи спрямовуються в трубу (якщо це піч або камін), отже, туди ж рухається й тепле повітря. Звідси перший висновок: стоячи біля вогню, ми отримуємо енергію не завдяки конвекції (рис. 7.2).

Зробимо припущення: можливо, енергія передається завдяки теплопровідності. Щоб перевірити це припущення, помістимо біля вогню лист металу (рис. 7.3, а). Він надійно захистить від жару незважаючи на те, що метал добре проводить тепло. А от прозоре скло (рис. 7.3, б), хоча воно і є гарним теплоізолятором, захищає від жару менше, ніж непрозорий метал. Робимо другий висновок: тепло від відкритого вогню передається не тільки завдяки теплопровідності.

Рис. 7.2. Спостереження підтверджують, що, стоячи біля відкритого вогню, ми одержуємо енергію не в результаті конвекції

Рис. 7.3. Метал, який добре проводить тепло, краще захищає від гарячого полум’я, ніж скло, що є поганим теплопровідником

Отже, маємо справу ще з одним видом теплопередачі — випромінюванням.

Випромінювання — це вид теплопередачі, в ході якого енергія передається за допомогою променів (електромагнітних хвиль).

2. Виявляємо деякі особливості теплового випромінювання

Електромагнітні хвилі поширюються навіть у вакуумі, тому випромінювання відрізняється від інших видів теплопередачі тим, що енергія може передаватися через простір, у якому відсутня речовина. Наприклад, енергія від Сонця до Землі й інших планет передається тільки завдяки випромінюванню. Однак неправильно вважати, що випромінювання відіграє важливу роль тільки в космосі. Випромінювання — це універсальний вид теплопередачі, воно відбувається між усіма тілами.

Згадайте, в якому одязі — світлому чи темному — ви краще почуваєтесь у літню спеку. Яку поверхню — світлу чи темну — сильніше нагрівають сонячні промені? Поміркуйте, як залежить здатність тіла поглинати теплове випромінювання від кольору цього тіла.

Щоб перевірити правильність вашої відповіді, скористаємося теплоприймачем (рис. 7.4). Закріпимо його в муфті штатива та сполучимо з рідинним манометром. До чорного боку теплоприймача піднесемо гарячу електричну праску (рис. 7.5, а). Рівень рідини в коліні манометра, сполученому з теплоприймачем, знизиться. Це означає, що повітря в коробочці нагрілось і його тиск збільшився.

Повернемо теплоприймач до праски полірованою поверхнею — у цьому випадку різниця рівнів рідини в колінах манометра буде набагато меншою (рис. 7.5, б), тобто повітря в теплоприймачі нагріється менше.

Рис. 7.4. Теплоприймач: 1 — порожня коробочка; 2 — темна поверхня; 3 — біла або світла відполірована поверхня; 4 — ручка; 5 — трубка для сполучення з рідинним манометром

Рис. 7.5. Дослід, який демонструє, що здатність тіла поглинати енергію випромінювання залежить від кольору поверхні тіла

Тіла з темною поверхнею краще поглинають теплове (інфрачервоне) випромінювання, ніж тіла зі світлою або полірованою поверхнею.

За допомогою схожих дослідів також з’ясовано, що тіла з темною поверхнею не тільки краще поглинають тепло, але й активніше його випромінюють.

Слід додати, що всі тіла за будь-якої температури обмінюються енергією завдяки випромінюванню. Тобто будь-яке тіло водночас і випромінює, і поглинає тепло. Якщо температура тіла більша за температуру тіл навколо, то воно випромінює енергії більше, ніж поглинає. Якщо ж тіло холодніше за навколишні тіла, то енергія, яку воно поглинає, буде більшою, ніж випромінювана. Отже, випромінювання, як і будь-який інший вид теплопередачі, врешті-решт веде до теплової рівноваги.

Підбиваємо підсумки

Вид теплопередачі, в ході якого енергія передається за допомогою електромагнітних хвиль, називають випромінюванням.

Випромінювання — це універсальний вид теплопередачі, воно відбувається між усіма тілами (навіть коли тіла перебувають у вакуумі).

Енергія, яку випромінює і поглинає тіло, залежить від кольору його поверхні. Сильніше випромінюють і краще поглинають енергію тіла з темною поверхнею. Тіла світлих і сріблястих кольорів, навпаки, гірше і випромінюють, і поглинають енергію.

Контрольні запитання

1. Чому енергія від Сонця до Землі не може передаватися завдяки конвекції та теплопровідності? 2. Опишіть дослід на підтвердження того, що енергія від багаття може передаватися не тільки завдяки теплопровідності. 3. Що таке випромінювання? 4. Тіла якого кольору краще поглинають тепло? Опишіть дослід на підтвердження вашої відповіді. 5. Чи існують умови, за яких тіло не випромінює і не поглинає енергію? 6. Що відбувається з температурою тіла, коли це тіло випромінює енергії більше, ніж поглинає?

Вправа № 7

1. Чому опалювальні батареї краще фарбувати в темний колір?

2. У який колір краще фарбувати фургони рефрижераторів?

3. Чому навесні забруднений сніг тане швидше, ніж чистий?

4. Узимку в неопалюваному приміщенні, вікна якого «дивляться» на південь, досить тепло. Коли таке може бути? Чому?

5. Для чого між стінками колби в термосах відкачують повітря, а поверхню колби роблять дзеркальною?

6. Атмосфера Землі прозора, тому сонячні промені проходять крізь атмосферу, майже не нагріваючи її. А завдяки чому нагрівається атмосферне повітря і від чого залежіть ступінь його нагрітості?

7. Заповніть таблицю*.

Фізична величина

Символ для позначення

Одиниця в СІ

m

°С

кг/м3

Кількість теплоти

ГДЗ до підручника можна знайти тут.