Топлинно излъчване на светлина

Топлинното излъчване е електромагнитно излъчване, възбуждано за сметка на енергията на топлинното движение на атомите и молекулите. Всички тела, нагрети до достатъчно висока температура, излъчват светлина.. Например, всяко твърдо тяло, нагрято до температура над 700 ⁰С, излъчва бяла светлина с непрекъснат спектър. Ако излъчващото тяло не получава енергия отвън, то се охлажда и вътрешната му енергия намалява. С понижаване на температурата на тялото не само намалява интензитетът на излъчването, но се променя и спектралният му състав все повече преобладават дългите вълни (червени и инфрачервени), докато излъчването в областта на видимата част на спектъра се прекратява и тялото излъчва само невидимите за окото инфрачервени лъчи. Топлинното излъчване е свойствено на всички тела при температура по-висока от абсолютната нула.

Топлинното излъчване е единственото, което може да се намира в термодинамично равновесие с веществото. Такова излъчване, наричано равновесно излъчване, се установява в адиабатно затворена (топлоизолирана) система, всички тела в която имат една и съща температура. При равновесие енергията, изразходвана от всяко от телата от системата при топлинното излъчване, се компенсира чрез поглъщане от тялото на същото количество енергия от падащото върху него излъчване.

Ако поставим едно нагрято тяло в кухина, ограничена от идеално отразяваща (непроницаема за излъчването) обвивка, с течение на времето в тази кухина ще се установи статистично равновесие: за единица време тялото ще поглъща толкова енергия, колкото излъчва самото то. При това, разпределението на енергията между тялото и излъчването няма да се променя с течение на времето. Установилото се излъчване, намиращо се в статистично равновесие с нагрятото тяло е равновесно топлинно излъчване. Способността на топлинното излъчване да се намира в равновесие с излъчващото тяло се обуславя от това, че интензитетът на излъчването нараства с нарастване на температурата. Ако допуснем, че равновесието между тялото и излъчването е нарушено и тялото излъчва повече енергия, отколкото получава, тогава вътрешната енергия на тялото ще намалява, което ще доведе до намаляване на неговата температура. Това на свой ред води до намаляване на излъчваната от тялото енергия. Температурата на тялото ще намалява докато количеството на излъчваната от тялото енергия стане равна на количеството поглъщана енергия. И аналогично, ако равновесието се наруши в обратната посока.

Всяко друго излъчване, различно от топлинното, т.е. възбудено не чрез нагряване, а по някакъв друг начин, не води до установяване на статистично равновесие. Например, ако тялото излъчва светлина като следствие от протичане на химична реакция, поглъщаното от тялото излъчване няма да промени посоката на реакцията, а точно обратното, ще доведе до по-бързо (вследствие на нагряването) протичане на реакцията в първоначалната посока. Равновесие ще се установи едва тогава, когато се изразходи целия запас от веществата, участващи в химичната реакция и излъчването, породено от химичните процеси, се замени от топлинно излъчване.

За характеризиране на топлинното излъчване на различните тела ние използваме така наречената интегрална плътност на излъчването при температура Т, т.е. потока енергия R(T) излъчван от 1m² от повърхността на тялото за една секунда при дадена температура Т. Нагретите тела излъчват енергия във вид на електромагнитни вълни с различна дължина на вълната. Енергията на излъчването се разпределя неравномерно между всички дължини на вълните, които излъчват нагретите тела, т.е. интегралната плътност на излъчване на тялото при температура Т

,