# Излучение

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/izluchenie

Третий способ передачи тепла — излучение. Разберём, почему оно работает даже через пустоту, чем тёмные поверхности отличаются от блестящих, откуда берётся парниковый эффект и как термос держит чай горячим.

## Чему научишься

- Объяснить, как энергия Солнца доходит до Земли, и назвать излучение видом теплопередачи
- Предсказать, какое тело — тёмное или блестящее — сильнее нагреется и сильнее остынет за счёт излучения
- Объяснить на примерах парниковый эффект и устройство термоса

## С чего начать

Между Солнцем и Землёй почти пустота: там нечему нагреваться и нечему переносить тепло, как это бывает с горячей ложкой в чае или с воздухом над батареей. Как же тогда солнечное тепло долетает до нас и почему в тёмной куртке на солнце жарче, чем в белой?

## 1. Тепло, которое летит через пустоту

*Что такое излучение*

Подержите ладонь сбоку от горящей лампы или костра, не касаясь их. Ладони тепло. Это не теплопроводность: вы ничего не трогаете. И не конвекция: нагретый воздух поднимается вверх, а не к вам в бок. Тепло приходит третьим путём.

Самый наглядный случай — Солнце. Основной источник тепла на Земле — Солнце, а между ним и нами пространство практически не содержит вещества. Нет воздуха, воды, металла. Тепло может ползти по ложке или всплывать с тёплым воздухом, только если есть вещество, а здесь его нет. Значит, нужен способ, которому вещество не требуется.

**Излучение**

Излучение — это электромагнитные волны.

Излучение — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся с помощью электромагнитных волн.

**Почтальон не нужен**

Теплопроводность и конвекция похожи на эстафету, где энергию передают из рук в руки частицы вещества. Излучение — это радиопередача: волны летят сами, и никто их не несёт. Солнце «вещает» энергию, Земля её «ловит». Оговорка: тепло от Солнца — это именно волны, а не раскалённые частицы, которые долетели до нас.

Как запомнить: нет вещества между телами, а тепло идёт — значит, это излучение.

Излучают не только Солнце. Все нагретые тела испускают излучение, но с разной интенсивностью. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее оно излучает. Поэтому передача энергии излучением приобретает первостепенное значение там, где тела нагреты до очень высоких температур.

Излучение меняет внутреннюю энергию тела. При испускании излучения внутренняя энергия тела уменьшается: тело остывает. При поглощении излучения внутренняя энергия увеличивается: тело нагревается. Остывающая печка и греющийся на солнце камень — это одно и то же явление в разные стороны.

**Проверь себя:** Космонавт на орбите держит руку на солнечной стороне корабля, снаружи вещества почти нет. Каким способом Солнце греет его скафандр?
**Ответ:** Излучением: энергия приходит электромагнитными волнами, и вещество между Солнцем и скафандром для этого не нужно.

**Излучение и способы передачи тепла через вещество**

| Признак | Излучение | Теплопроводность и конвекция |
| --- | --- | --- |
| Как передаётся энергия | электромагнитными волнами | через частицы вещества |
| Нужно ли вещество между телами | нет | да |
| Пример | Солнце — Земля | ложка в горячем чае, тёплый воздух над батареей |

### Проверь себя

**Какая главная причина делает возможной передачу энергии от Солнца к Земле исключительно посредством излучения?**
- Солнечное излучение распространяется с высокой скоростью, компенсирующей отсутствие конвекционных потоков.
- Атмосфера Земли полностью отражает конвективные потоки, поступающие из открытого космоса.
- Излучение Солнца нагревает только верхние слои атмосферы, не проходя сквозь вакуум.
- Пространство между Землёй и Солнцем практически не содержит вещества, что делает невозможными теплопроводность и конвекцию. — верно
> Излучение не требует наличия материальной среды, поэтому энергия свободно преодолевает безвоздушное пространство космоса.

**Как изменяется внутренняя энергия тела при испускании и поглощении излучения?**
- Внутренняя энергия тела остаётся неизменной в обоих процессах из-за сохранения температуры.
- Внутренняя энергия возрастает как при испускании, так и при поглощении волн.
- При испускании излучения внутренняя энергия тела уменьшается, а при поглощении — увеличивается. — верно
- При испускании внутренняя энергия увеличивается, а при поглощении — уменьшается.
> Отдавая энергию в виде электромагнитных волн, тело теряет внутреннюю энергию, а принимая излучение — пополняет её.

**Как в опыте с теплоприёмником и жидкостным манометром фиксируется нагревание воздуха внутри коробочки?**
- По мгновенному закипанию и испарению жидкости в коленах манометра.
- По увеличению разности уровней жидкости в коленах манометра вследствие расширения воздуха. — верно
- По уменьшению объёма воздуха внутри коробочки и сжатию резиновой трубки.
- По изменению цвета зеркальной поверхности теплоприёмника при поглощении тепла.
> Нагреваясь, воздух расширяется и оказывает давление на жидкость в присоединённом колене манометра.

**Почему в опыте с теплоприёмником нагретое тело помещают сбоку от него, а не снизу?**
- При нижнем расположении теплоприёмник отражает всё падающее на него излучение.
- Расположение сбоку полностью устраняет низкую теплопроводность воздуха.
- Нагретый металл испускает электромагнитные волны исключительно в горизонтальном направлении.
- Если бы теплоприёмник находился над источником тепла, нагревание происходило бы за счёт конвекции. — верно
> Восходящие потоки нагретого воздуха переносят тепло вверх, поэтому боковое расположение позволяет исключить конвекцию.

## 2. Чёрное и блестящее: кто лучше принимает и отдаёт

*Опыт с теплоприёмником*

Почему в чёрной футболке на солнце жарче, чем в белой? Излучение не просто падает на тело, оно поглощается: энергия волн становится внутренней энергией тела. И тут всё зависит от поверхности. Чёрная (тёмная) поверхность поглощает и испускает излучение лучше и интенсивнее, чем блестящая или белая.

**Правило поверхностей**

Тёмная поверхность: поглощает лучше и испускает интенсивнее. Блестящая или белая: поглощает хуже и испускает слабее.

**Губка и зеркало**

Тёмная поверхность — как губка: впитывает почти всё, что на неё льётся, и так же охотно отдаёт. Блестящая и белая — как зеркало или гладкая плёнка: большая часть отскакивает, мало впитывается. Оговорка: это образ, а не определение. Речь именно об излучении, а не о воде.

Правило самопроверки: кто хорошо принимает, тот хорошо и отдаёт. Тёмное лучше и нагревается, и остывает.

Как это увидеть в опыте? Для демонстрации теплопередачи излучением используется теплоприёмник, соединённый с жидкостным манометром. Теплоприёмник — полая коробочка, внутренний воздух которой нагревается, когда её освещает излучение. Воздух расширяется, и жидкость в манометре сдвигается: по этому сдвигу видно, сколько энергии пришло. Если повернуть к источнику тёмную сторону коробочки, а потом блестящую, разницу видно по манометру: тёмная сторона принимает энергию лучше.

**Пример: Какой сосуд остынет быстрее**

1. Условие: два одинаковых сосуда с горячей водой, один покрашен чёрным, другой блестящий. Какой быстрее остынет за счёт излучения?
2. Тёмная поверхность испускает излучение интенсивнее. Значит, чёрный сосуд теряет внутреннюю энергию быстрее.
3. Ответ: чёрный остынет быстрее. А на солнце, наоборот, чёрный нагреется сильнее: он лучше поглощает.

**Неправильно:** Белое и блестящее не поглощает излучение вообще.
**Правильно:** Поглощает, но хуже, чем тёмное. Поэтому оно нагревается слабее, а не остаётся совсем холодным.

**Проверь себя:** Зачем в жаркую погоду на южных домах нередко красят стены в белый цвет?
**Ответ:** Белая поверхность поглощает солнечное излучение хуже, чем тёмная, поэтому стена нагревается слабее.

### Проверь себя

**Какая поверхность лучше поглощает и интенсивнее испускает излучение?**
- Белая поверхность поглощает излучение так же эффективно, как и чёрная.
- Все поверхности поглощают излучение одинаково, разница заключается только в испускании.
- Блестящая поверхность лучше поглощает излучение, но хуже его испускает.
- Чёрная поверхность поглощает и испускает излучение лучше, чем блестящая или белая. — верно
> Опыты с теплоприёмником показывают, что тёмные матовые поверхности эффективнее как в поглощении, так и в излучении энергии.

**Какое конструктивное решение в термосе препятствует передаче энергии путём теплопроводности?**
- Удаление воздуха из пространства между двойными стенками колбы. — верно
- Использование плотной пробки и навинчивающегося колпачка.
- Покрытие стенок колбы блестящим металлическим слоем.
- Помещёние колбы в защитный пластмассовый футляр.
> Создание вакуума устраняет вещество, которое могло бы передавать тепло за счёт теплопроводности.

**Какую функцию выполняет блестящее металлическое покрытие колбы термоса?**
- Создаёт вакуум между внутренними стенками сосуда.
- Препятствует передаче энергии посредством излучения, отражая его. — верно
- Увеличивает прочность стекла при резких перепадах температур.
- Устраняет конвекцию жидкости внутри самой стеклянной колбы.
> Зеркальная поверхность возвращает излучаемые волны обратно, минимизируя потери энергии на излучение.

## 3. Парник и термос: излучение в жизни

*Как удержать или не пропустить тепло*

Земля, нагретая Солнцем, сама излучает, и это излучение уходит вверх. Но в атмосфере есть газы (водяной пар, углекислый газ и др.), которые плохо пропускают излучение нагретой земной поверхности. Часть энергии задерживается, и у поверхности теплее. Это парниковый эффект.

**Одеяло для Земли**

Атмосфера с такими газами работает как одеяло: тепло от тела идёт наружу, а одеяло его задерживает. Оговорка: одеяло задерживает тепло не только излучение, а у атмосферы в этом эффекте главную роль играет именно плохое пропускание излучения земной поверхности.

Как запомнить: парниковые газы плохо выпускают излучение Земли, поэтому внизу теплее.

Теперь обратная задача: как сделать, чтобы горячий чай не остывал? Нужно перекрыть все три пути потерь. Термос так и устроен. Он состоит из стеклянной колбы с двойными стенками, покрытыми блестящим металлическим слоем, а из межстеночного пространства откачан воздух. Это уменьшает теплопередачу теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Разберём по пунктам, что работает против какого пути:

- **Откачанный воздух** между стенками: передавать тепло теплопроводностью и конвекцией почти некому, вещества там нет.
- **Блестящий металлический слой**: блестящая поверхность испускает излучение слабо и плохо поглощает его, значит, и излучением тепло уходит мало.

То есть термос использует то, о чём мы говорили в предыдущей части, только блестящую поверхность.

**Проверь себя:** Почему в термосе поверхности стенок блестящие, а не чёрные?
**Ответ:** Блестящая поверхность испускает и поглощает излучение хуже, чем тёмная, поэтому через излучение теряется меньше тепла.

**Почему вакуум не спасает от излучения**

Откачанный воздух убирает теплопроводность и конвекцию, но излучение через пустоту всё равно идёт, ведь именно так до нас доходит Солнце. Поэтому внутри термоса нужен ещё и блестящий слой: он отвечает за излучение.

### Проверь себя

**Почему стекло парника служит «ловушкой» для солнечной энергии?**
- Стекло полностью блокирует проникновение любых электромагнитных волн внутрь парника.
- Стекло поглощает солнечное излучение и передаёт его почве исключительно теплопроводностью.
- Стекло усиливает циркуляцию воздуха, ускоряя передачу энергии путём конвекции.
- Стекло пропускает солнечное излучение, но плохо пропускает излучение нагретой почвы. — верно
> Разница в пропускании внешнего и внутреннего излучения вместе с ограниченной конвекцией приводит к накоплению тепла.

**Какое явление в атмосфере Земли аналогично принципу работы парника?**
- Полное поглощение солнечных лучей в верхних слоях стратосферы без нагрева поверхности.
- Задержка излучения земной поверхности газами, такими как водяной пар и углекислый газ. — верно
- Интенсивная конвекция, полностью выравнивающая температуру на полюсах и экваторе.
- Быстрое охлаждение планеты из-за высокой теплопроводности атмосферного воздуха.
> Парниковые газы пропускают солнечное излучение к Земле, но затрудняют выход теплового излучения нагретой поверхности в космос.

**В чём заключается эффект «городского каньона», способствующий образованию городских «островов тепла»?**
- Высокие здания задерживают излучение за счёт его многократного отражения и поглощения стенками. — верно
- Широкие асфальтированные дороги отражают 100% солнечной энергии в верхние слои атмосферы.
- Парковые зоны города интенсивно выдувают тёплый воздух из жилых районов.
- Подземные коммуникации города усиливают конвективный обмен с поверхностью грунтовых вод.
> Близкое расположение зданий создаёт пространственную «ловушку» для излучения и препятствует свободному перемещению воздуха.

## Ключевые термины

- **Излучение** — Вид теплопередачи, при котором энергия передаётся с помощью электромагнитных волн.
- **Парниковый эффект** — Явление из-за газов атмосферы, плохо пропускающих излучение нагретой земной поверхности.
- **Теплоприёмник** — Прибор, соединённый с жидкостным манометром, для демонстрации теплопередачи излучением.

## Итог

- Излучение — вид теплопередачи: энергия передаётся электромагнитными волнами, вещество между телами не нужно
- Все нагретые тела излучают; при испускании внутренняя энергия тела уменьшается, при поглощении — увеличивается
- Тёмная поверхность и поглощает, и испускает излучение лучше, чем блестящая или белая
- Парниковый эффект — газы атмосферы плохо пропускают излучение нагретой земной поверхности
- Термос: двойные стенки с блестящим слоем и откачанный воздух уменьшают все три вида теплопередачи

## Шпаргалка

### Излучение: главное

- **Излучение** — электромагнитные волны
- **Как передаётся энергия** — электромагнитными волнами, без вещества
- **Испускание** — внутренняя энергия тела уменьшается
- **Поглощение** — внутренняя энергия тела увеличивается
- **Опыт** — теплоприёмник и жидкостный манометр

### Тёмная и светлая поверхность

| Признак | Тёмная | Блестящая или белая |
| --- | --- | --- |
| Поглощает излучение | лучше | хуже |
| Испускает излучение | интенсивнее | слабее |
| На солнце | нагревается сильнее | нагревается слабее |

### Примеры из жизни

- **Парниковый эффект** — газы плохо пропускают излучение земной поверхности
- **Термос: блестящий слой** — уменьшает потери излучением
- **Термос: откачанный воздух** — уменьшает теплопроводность и конвекцию

## Любопытное

- Основной источник тепла на Земле — Солнце, и всё его тепло приходит к нам именно излучением.
- Все нагретые тела излучают, но чем выше температура, тем важнее роль излучения в теплопередаче.