Чем измеряется тепловое излучение. Расчет интенсивности теплового излучения. Использование специальной одежды и других средств снижения вредного влияния
Микроклимат
Микроклимат влияет на самочувствие и работоспособность. При увеличении температуры больше 30°С работоспособность уменьшается. Для человека определены максимальные температуры в зависимости от длительности их воздействия и использования средств зашиты.
Основными параметрами, характеризующими метеорологические условия производственной среды, являются:
температура воздуха t, °С;
относительная влажность ,%;
скорость движения воздуха V, м/с;
барометрическое давление Р, мм. рт.ст.;
интенсивность теплового излучения Ie , Вт/м2.
Эти условия влияют на теплообмен организма человека с окружающей средой. Между организмом и окружающей средой происходит непрерывный процесс теплового обмена, состоящий в передаче вырабатываемого организмом тепла в окружающую среду.
Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на самочувствие человека и его работоспособность.
При высокой температуре воздуха в помещении кровеносные сосуды кожи расширяются, при этом происходит повышенный приток крови к поверхности тела, и теплоотдача в окружающую среду значительно увеличивается, однако при температуре воздуха более 30° С отдача теплоты конвекцией и излучением в основном прекращается, часть теплоты отдается путем испарения с поверхности кожи. Вместе с влагой организм теряет и соли, играющие важную роль в жизнедеятельности организма. При неблагоприятных условиях потеря жидкости может достигать 8-10 литров за смену, а с ней до 40-50г NаСl (всего в организме около 140 г NаСl). Потеря 28-30 г его ведет к прекращению желудочной секреции, а - больших количеств- к мышечным спазмам и судорогам. При высокой температуре воздуха и дефиците воды в организме усиленно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.
Для восстановления водяного баланса работающих в горячих цехах устанавливают пункты подпитки подсоленной (~ 0,5 % NаСl) газированной питьевой водой из расчета 4-5 л на человека в смену.
При понижении температуры окружающего воздуха реакция организма иная: кровеносные сосуды сужаются, приток крови к поверхности тела замедляется, усиливается теплопродукция и уменьшается отдача тепла. В суженных сосудах происходит периодическое сужение и расширение их просвета, возникают болевые ощущения. Теплопотери возрастают и усиливается возможность переохлаждения. Подвижность воздуха и повышенная влажность усиливают охлаждающие свойства организма.
Высокая относительная влажность неблагоприятно действует на организм и при высоких температурах воздуха, т.к. препятствует испарению пота и способствует перегреванию организма. Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота в единицу времени, тем быстрее наступает перегрев. Особенно неблагоприятное воздействие оказывает высокая влажность при температуре больше 31 °С, т.к. при этой температуре практически все тепло (выделяемое) отдается в окружающую среду при испарении пота. При увеличении влажности пот не испаряется, а стекает каплями.
Недостаточная влажность вызывает пересыхание слизистых оболочек дыхательных путей, их растрескивание.
Подвижность воздуха весьма эффективно способствует теплоотдаче, что является положительным явлением при высоких температурах воздуха, но отрицательным при низких температурах.
Барометрическое давление оказывает существенное влияние на такой жизненноважный момент, как процесс дыхания. Наличие кислорода во вдыхаемом воздухе является необходимым, но недостаточным условием для обеспечения жизнедеятельности организма. Интенсивность диффузии кислорода в кровь определяется парциальным давлением кислорода в альвеолярном воздухе (через стенки альвеол кислород посредством диффузии поступает в кровь), которое зависит от барометрического давления вдыхаемого воздуха. Удовлетворительное самочувствие человека сохраняется до высоты ~ 4км, а при дыхании чистым кислородом - до высоты ~ 12км. Выше 4км может наступить кислородное голодание - гипоксия из-за снижения диффузии кислорода из легких в кровь. При работе в условиях избыточного давления снижаются показатели вентиляции легких за счет некоторого урежения частоты дыхания и пульса.
Избыточное давление воздуха приводит к повышению парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе и в то же время - к уменьшению объема легких и увеличению силы дыхательной мускулатуры. Для человека очень опасно быстрое изменение давления.
Тепловое излучение от нагретых поверхностей играет немаловажную роль в создании неблагоприятных микроклиматических условий в производственных помещениях. Наибольшую опасность возникновения лучистого тепла представляет расплавленный или нагретый до высоких температур металл.
При температуре до +500° С нагретой поверхностью излучаются инфракрасные лучи с длиной волны 0,76 - 740 мкм, а при более высокой температуре наряду с возрастанием инфракрасных лучей появляются видимые световые и ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое действие. Под влиянием теплового облучения в организме происходят биохимические сдвиги, уменьшается кислородная насыщенность крови, понижается венозное давление, замедляется кровопоток и, как следствие, нарушается деятельность сердечно-сосудистой и нервной систем; повышается температура глубоколежащих тканей, происходит помутнение хрусталика глаза (профессиональная катаракта).
Нормирование микроклимата
Нормы производственного микроклимата установлены системой стандартов безопасности труда ГОСТ 12.1.005-88.
Нормы производственного микроклимата установлены системой стандартов безопасности труда ГОСТ 12.1.005-88 “Воздух рабочей зоны” и строительными нормами СН 2.2.4.548-96. Они едины для всех производств и всех климатических зон с некоторыми незначительными отступлениями. В виде оптимальных и допустимых величин. Оптимальные - создают ощущения теплового комфорта, а допустимые - могут вызывать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма и напряжения реакции терморегуляции, не выходящие за пределы физиологических приспособительных возможностей. Нормы установлены для рабочей зоны - пространства высотой до 2 метров над уровнем пола или площадки, на которой находится рабочее место.
Оптимальная относительная влажность воздуха для всех периодов года - 40-60 %.
Интенсивность теплового облучения работающих от открытых источников (нагретый металл, стекло, “открытое” пламя и др.) не должна превышать 140 Вm/м 2 , при этом облучению не должно подвергаться более 25% поверхности тела и обязательным является использование средств индивидуальной защиты тела и глаз.
Допустимая интегральная интенсивность теплового облучения не должна превышать 350Вm/м 2 .
Интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования, осветительных приборов, инсоляции на постоянных и непостоянных рабочих местах не должна превышать 35Вm/м 2 при облучении 50% поверхности тела и более, 70 Вm/м 2 - при величине облучаемой поверхности от 25 до 50% и 100 Вm/м 2 - при облучении не более 25% поверхности тела.
Допустимая интенсивность теплового облучения в области ультрафиолетового спектра составляет 0,001 Bm/м 2 при длине волны до 0,28 мкм, 0,05 Bm/м 2 при длине волны 0,28-0,32мкм и 10 Bm/м 2 при длине волны 0,32-0,4 мкм.
Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек может дышать в течение нескольких минут без специальных средств защиты = 116°С.
Потоотделение мало зависит от недостатка или избытка воды в организме.
Допустимо обезвоживание организма на 2-3%. При 6% - нарушение умственной деятельности и уменьшение остроты зрения, при 15-20% - смерть.
При потоотделении уменьшается содержание солей (до 1%, в т.ч. NaCl 0,4-0,6%). При неблагоприятных условиях потеря жидкости = 8-10 л/смену и в ней до 60г. NaС1 (всего в организме NaCl около 140г.)
При потере соли кровь теряет способность удерживать воду и приводит к нарушению сердечно-сосудистой деятельности.
При высокой температуре и дефиците воды усиленно расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки. Для восстановления водяною баланса:
1. Пить подсоленную газированную воду (около 0,5% NaС1) 4-5 л/смену (в горячих цехах).
2. Пить белково-витаминный напиток, холодную воду, чай.
Перегрев организма (гипертермия) - при длительном воздействии высокой температуры. Признаки: головная боль, головокружение, слабость, искажения цветового восприятия, сухость во рту, тошнота, рвота, обильное потовыделение, учащение пульса и дыхания, бледность, расширение зрачков.
Переохлаждение (гипотермия) - при уменьшении температуры, большой подвижности и влажности воздуха. Симптомы: в начале уменьшение частоты дыхания, увеличение объема вдоха, затем неритмичное дыхание, изменение углеводного обмена, мышечная дрожь и холодовая травма.
Для оценки характера одежды (теплоизоляции) и акклиматизации организма в разное время года введено понятие периода года. Различают теплый и холодный периоды года. Теплый период года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха + 10° С и выше, холодный - ниже + 10° С.
При учете интенсивности труда все виды работ исходя из общих энергозатрат организма делятся натри категории: легкие, средней тяжести и тяжелые. Характеристику производственных помещений по категории выполняемых в них работ устанавливают по категории работ, выполняемых 50 % и более работающих в соответствующем помещении.
К легким работам (категория I) с затратой энергии до 174 Вт относятся работы, выполняемые сидя или стоя, не требующие систематического физического напряжения (работа контролеров, в процессах точного приборостроения, конторские работы и др.). Легкие работы подразделяют на категорию 1а (затраты энергии до 139 Вт) и категорию 16 (затраты энергии 140... 174 Вт).
К работам средней тяжести (категория II) относят работы с затратой энергии 175...232 Вт (категория 2а) и 233...290 Вт (категория 2б). В категорию 2а входят работы, связанные с постоянной ходьбой, выполняемые стоя или сидя, но не требующие перемещения тяжестей, в категорию 2б - работы, связанные с ходьбой и переноской небольших (до 10 кг) тяжестей (в механосборочных цехах, текстильном производстве, при обработке древесины и др.).
К тяжелым работам (категория III) с затратой энергии более 290 Вт относят работы, связанные с систематическим физическим напряжением, в частности с постоянным передвижением, с переноской значительных (более 10 кг) тяжестей (в механосборочных цехах, текстильном производстве, при обработке древесины и др.). К тяжелым работам (категория III) с затратой энергии более 290 Вт относят работы, связанные с систематическим физическим напряжением, в частности с постоянным передвижением, с переноской значительных (более 10 кг) тяжестей (в кузнечных, литейных цехах с ручными процессами и др.).
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.
Все физические тела, температура которых больше абсолютного нуля, испускают тепловые лучи.Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществомза счет его внутренней энергии .
Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, т.е. излучают волны всех длинλ.
Видимое человеком излучение (свет): λ = 0,40-0,75 мкм.
Инфракрасный (невидимый свет): λ = 0,75-400 мкм. Далее радиоволновой диапазон.
Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называютпирометрами излучения . Пирометры используются для измерения температуры в диапазоне 300-6000 о С. Для измерения температур больше 3000 о С пирометры являются практически единственными СИ, т.к. они бесконтактны. Теоретически верхний предел измерения пирометров неограничен. В пирометрах используется в основном видимый свет и инфракрасный диапазон.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению основывается на закономерностях, полученных дляабсолютно черного тела . Если на внешнюю поверхность тела падает поток лучистой энергии Ф, то он частично поглощается Фп, отражается Фот и пропускается Фпр. Соотношение между этими потоками зависит от свойств тела и, в частности, от состояния его поверхности (степени шероховатости, цвета, температуры). Если тело поглощает весь падающий на него лучистый поток, токоэффициент поглощения его и такое тело называютабсолютно черным .
Реальные тела не являются абсолютно черными, и лишь некоторые из них по оптическим свойствам близки к ним, например, нефтяная сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеютα, мало отличающийся от 1.
Внешняя поверхность тел не только поглощает, но и испускает собственное излучение, зависящее от температуры.
В соответствии с законом Кирхгофаизлучательная способность тел пропорциональна их коэффициентам поглощения. Так как коэффициент поглощения абсолютно черного тела α абс.ч.т. =1, то оно обладает максимальной излучательной способностью.
В пирометрии излучения в качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, применяют энергетическую светимость (излучательность) и энергетическую яркость (лучистость). При этом следует различать полную и спектральную светимость и яркость.
Под полнойэнергетической светимостью понимают полную (интегральную)поверхностную плотность излучаемой мощности .
Энергетической яркостью тела в данном направлении называетсямощность излучения в единичный телесный угол с единицы площади проекции поверхности тела на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Энергетическая яркость является основной величиной, непосредственно воспринимаемой человеческим глазом, а также всеми пирометрами, основанными на измерении температуры по тепловому излучению.
Все реальные тела по степени поглощения ими лучистой энергии отличаются от черного тела и имеют коэффициент поглощения меньше единицы. Излучательная способность реальных тел также отличается от лучеиспускательной способности черного тела и может быть охарактеризована коэффициентом излучения полнымε и спектральнымε λ .
Реальные тела при одинаковой температуре имеют различную излучательную способность , оценку которой производят по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела (значок * относится к абсолютно черному телу)
гдеε λ –коэффициент спектрального излучения (степень черноты монохроматического излучения);
ε– коэффициент полного излучения (степень черноты полного излучения);
Е λ , Е λ * - спектральная энергетическая светимость;
В λ , В λ * - спектральная энергетическая яркость (воспринимается глазом);
Е, Е * - полная энергетическая светимость.
ε λ является функцией длины волныλ и температуры Т. Тело, у которогоε λ не зависит от температуры и λ, называют серым.
Зависимость между спектральной энергетической светимостью абсолютно черного тела Е λ * , его температурой Т и длиной волныλустанавливаетсязаконом Планка (см. рисунок 1.17)
где с 1 , с 2 – константы.
Для выбранной λ с увеличением температуры резко возрастает Е λ * или В λ * , так как
В λ * =k λ ∙ Е λ * . (1.32)
Указанный факт устанавливает возможность измерения температуры тела по его спектральной яркости с высокой чувствительностью.
Из графика (рисунок 1.17) видно, чтоλ max уменьшается с увеличением температуры. По мере уменьшения температуры черного тела максимум распределения энергии его излучения смещается в сторону длинноволновой области спектра.
Рисунок 1.17 – Семейство кривых Е λ * , построенных по закону Планка
Это и явилось основанием использовать для измерения яркостной температуры тел инфракрасную область спектра.
Для реальных тел, имеющих каждый свой ε λ
В λ = ε λ ∙ В λ * . (1.33)
Еслиреальные тела имеют одну и ту же температуру , то из-за разностиε λ измеренныезначения В λ будут различаться , что не позволяет иметь единую шкалу прибора, отградуированную в значениях истинной температуры различных объектов. В связи с этим шкалу пирометра приходится градуировать по излучению абсолютно черного тела.
Так как излучательная способность реальных тел меньше, чем черных, то показания пирометра будут соответствовать не действительной температуре реального тела, а дают условную температуру, в данном случае так называемую яркостную температуру.
Яркостной температурой реального тела называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость В * (λ , Тя) равна спектральной яркости реального тела В (λ , Т) при его действительной температуре Т.
Используя (1.31), (1.32), (1.33), получим
Видно, что яркостная температура всегда меньше действительной температуры, так как ε λ < 1.
Приборы, предназначенные для измерения яркостной температуры в видимой части спектра, обычно называютоптическими и фотоэлектрическими пирометрами.
Как видно из рисунка 1.17, с повышением температуры максимум кривой распределения энергии излучения по спектру смещается в сторону коротких волн. Длина волныλ max , соответствующая максимуму кривой распределения энергии в спектре излучения черного тела, связана с абсолютной температурой Т соотношением
гдеb – постоянная, равная 2896 мкм К.
Соотношение (1.35) носит название закона смещения Вина. Пунктирная линия (см. рисунок 1.17), проходящая через максимумы всех кривых, соответствует закону смещения Вина.
В видимой части спектра смещениеλ max и, следовательно, перераспределение энергии, вызываемое изменением температуры тела, приводит к изменению его цвета. Это послужило основанием существующиеметоды измерения температур тел , основанные на изменении с температурой распределения энергии внутри данного участка спектра излучения, назватьцветовыми методами . Условная температура тела, измеренная этими методами, называется цветовой температурой.
Наибольшее распространение из существующих получил метод измерения цветовой температуры в видимой части спектра по отношению энергетических яркостей в двух спектральных интервалах.
Цветовой температурой (Тц) называется такая температура абсолютно черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей при длинах волнλ 1 иλ 2 равно отношению спектральных яркостей реального тела при тех же длинах волн и его действительной температуры Т.
Известно, что . Учитывая (1.31), (1.32), (1.33), получим
Практически серыми считают реальные тела: керамика, оксиды металлов, огнеупорные материалы, гранит и др. Преимущества цветового метода для них очевидны, так как яркостная температура всегда, в отличие от цветовой, ниже действительной.
Приборы, предназначенные для измерения цветовой температуры по отношению спектральных энергетических яркостей, принято называтьпирометрами спектрального отношения или цветовыми пирометрами .
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.
