Физиология животных. Приспособление и среда - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
QrOCO-T*,
где T — абсолютная температура излучающей поверхности (в кельвинах, К); о— константа Стефана — Больцмана '[1,376-Ю-12 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 (Г^ЗОО К) лежит 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.
348 Глава 8. Терморегуляция
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-
Инфракрасныи свет
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; напри-
Температура, тепло и перенос тепла 349>
мер, 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 сноваз 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%). Его излучающая способность также равна 5% (т. е. кофейник с блестящей поверхностью отдает тепло путем излучения очень медленно) .
